Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Gefordert wurde die Entwicklung eines hochaufl\u00f6senden Fernmessverfahrens f\u00fcr die atmosph\u00e4rischen Ausbreitungsparameter von Schadstoffen, d.h. die Erfassung von Wind, Temperatur und Turbulenz mit einer r\u00e4umlichen Aufl\u00f6sung von 10 m \u00fcber einen Bereich vom Erdboden bis 250 m H\u00f6he. Ziel des Projekts ist ein Messsystem, das auch in stark inhomogener Str\u00f6mung, wie sie z.B. in der N\u00e4he von Geb\u00e4uden auftritt, und unter schwierigen Messbedingungen eingesetzt werden kann. Damit sind Fernmessungen der Ausbreitungsparameter in St\u00e4dten und in unmittelbarer N\u00e4he von Emittenten wie z. B. Industrieanlagen sowie Messungen direkt an Windkraftanlagen m\u00f6glich.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie bisher bekannten Doppler-Verfahren zur Bestimmung von Ausbreitungsparametern berechnen den Windvektor aus Streusignalen, die auf unterschiedlich gerichteten Sendestrahlen gewonnen werden. Der Windvektor wird also aus Messungen in r\u00e4umlich getrennten Volumina zusammengesetzt. Dies ist nur zul\u00e4ssig, wenn r\u00e4umliche Homogenit\u00e4t angenommen werden kann, was in der N\u00e4he von Str\u00f6mungshindernissen nicht gegeben ist. Eine zweite Schwierigkeit herk\u00f6mmlicher Fernmessverfahren in der N\u00e4-he von gro\u00dfen Strukturen, wie z.B. Geb\u00e4uden, ist das Echo von diesen Strukturen, da die Sendestrahlen weder von akustischen noch von elektromagnetischen Radars perfekt geb\u00fcndelt werden.
\nMit sogenannten Spaced Antenna Drift (SAD) Verfahren wird der Windvektor in einem gemeinsamen Volumen erfasst. Hierbei werden mehrere vertikal gerichtete Antennen als Empf\u00e4nger verwendet und die empfangenen Signale miteinander korreliert. Diese Technik wurde bereits vor l\u00e4ngerer Zeit f\u00fcr Radar-Windmessungen in der mittleren und h\u00f6heren Atmosph\u00e4re entwickelt, sie ist aber in der bodennahen Atmosph\u00e4re bisher kaum eingesetzt worden. Das Verfahren ist im Gegensatz zu den herk\u00f6mmlichen Doppler-Verfahren von der Annahme horizontaler Homogenit\u00e4t der Windstr\u00f6mung weitgehend unabh\u00e4ngig.
\nBei dem entwickelten System wird die Streuung elektromagnetischer Wellen an den mit Schallwellen verbundenen atmosph\u00e4rischen Brechungsindex-Schwankungen ausgenutzt. Das Empfangssignal liefert die Schallgeschwindigkeit in Richtung des Sendestrahls. Zus\u00e4tzlich zu einem Radar wird daher eine Schallquelle ben\u00f6tigt. Dieses Verfahren wird als Radio Akustisches Sondierungssystem (RASS) be-zeichnet. Es wurde urspr\u00fcnglich entwickelt, um aus der Schallgeschwindigkeit Temperaturprofile abzuleiten. Da die Schallgeschwindigkeit in der Atmosph\u00e4re jedoch nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Wind abh\u00e4ngt, k\u00f6nnen mit diesem Verfahren auch Windprofile bestimmt werden. Dabei k\u00f6nnen sowohl herk\u00f6mmliche Doppler-Messungen mit geschwenkten Strahlen oder auch SAD-Verfahren einge-setzt werden. Windmessungen mit RASS sind bisher nur an der Universit\u00e4t Hamburg realisiert worden. Sie sind wegen der D\u00e4mpfung und Verdriftung der Schallwellen in der Atmosph\u00e4re auf relativ geringe Reichweiten begrenzt. Dies ist f\u00fcr die vorgesehene Anwendung jedoch kein Nachteil. Der gro\u00dfe Vorzug ist dagegen, dass die RASS-Signale auch in Gegenwart starker St\u00f6rechos detektiert werden k\u00f6nnen. Auf diese Weise wird der Einsatz in unmittelbarer N\u00e4he von Str\u00f6mungshindernissen erm\u00f6glicht. Die Kombination der beiden beschriebenen Prinzipien wird mit dem Arbeitstitel SADRASS zum Ausdruck gebracht.
\nIm ersten Arbeitsschritt wurden die Vor- und Nachteile des Doppler-RASS und des Bragg-RASS analysiert. (Im ersten Fall werden Schallimpulse verwendet, im zweiten Fall ein kontinuierliches Schallsignal.) Da sich die Konstruktion des Radars in beiden F\u00e4llen stark unterscheidet, musste hier vor Beginn der technischen Realisierung eine Entscheidung getroffen werden.
\nParallel dazu wurden die zur Zeit bekannten SAD-Algorithmen im Hinblick auf ihre Eignung bewertet. Es wurde eine Liste der aussichtsreicher Verfahren aufgestellt und daraus entsprechende Anforderungen an die Konstruktion der Hardware abgeleitet. Hierbei war ein Kompromiss zwischen dem technischen Aufwand und der notwendigen Vielseitigkeit zu finden.
\nVor Beginn der System-Konstruktion musste die Radarfrequenz festgelegt werden. In Frage kommende Frequenzen sind 1290 MHz oder 2450 MHz. In die Entscheidung flossen u.a. die Auswirkungen auf den Messbereich, die Messgenauigkeit, die erforderliche Sendeleistung, die Antennengr\u00f6\u00dfe, die m\u00f6gliche Umgebungsbel\u00e4stigung und die Stellungnahme der f\u00fcr die Betriebsgenehmigung zust\u00e4ndigen Regulie-rungsbeh\u00f6rde ein.
\nDas System soll zur Erleichterung des Transportes m\u00f6glichst kompakt aufgebaut sein. Daher wurde der Einsatz gemeinsamer Sende- und Empfangsantennen erprobt.
\nZur nachtr\u00e4glichen Verifizierung und Weiterentwicklung von Algorithmen wurde die M\u00f6glichkeit der Rohdatenspeicherung mit nachfolgender Datenauswertung vorgesehen. Im praktischen Einsatz wird dagegen die Berechnung der Wind-, Temperatur- und Turbulenzprofile immer on-line erfolgen. Hierf\u00fcr ist eine Men\u00fc-gef\u00fchrte Benutzeroberfl\u00e4che entwickelt worden, die u.a. auch die Visualisierung der Daten in verschiedenen Formaten sowie den bequemen Zugriff auf gespeicherte Daten unterst\u00fctzt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Voruntersuchungen zeigten, dass sich Messungen nach dem SAD-Prinzip mit einem Doppler-RASS nicht realisieren lassen und daher ein Bragg-RASS die einzige Alternative f\u00fcr das hier geplante Messger\u00e4t darstellt.
\nEbenso zeigten die Voruntersuchungen, dass die Verwendung der Frequenz 2450 MHz keine Vorteile in technischer oder kostenbezogener Hinsicht bietet, sodass die Frequenz bei 1290 MHz gew\u00e4hlt wurde, mit der die gr\u00f6\u00dfere H\u00f6henverf\u00fcgbarkeit zu erwarten ist.
\nWeiter zeigte der Vergleich verschiedener Algorithmen zur Bestimmung der Horizontalwindgeschwindigkeit mit Hilfe des SAD-Prinzips je nach Verfahren deutliche Unterschiede in der Stabilit\u00e4t der Ergebnisse.
\nEs wurde schlie\u00dflich ein Bragg-RASS bei 1290 MHz realisiert, das als SAD-Algorithmus eine im Zeitbereich stattfindende Auswertung mit dem Namen \u0082Full-Correlation-Analysis (FCA) verwendet. Dieser Algorithmus hat sich als besonders zuverl\u00e4ssig und stabil unter verschiedenen Messbedingungen und Signalqualit\u00e4ten erwiesen.
\nDas System verf\u00fcgt \u00fcber eine Sendeantenne von 1.8 m Durchmesser sowie 4 Empfangsantennen mit einem Durchmesser von je 80 cm. Die elektromagnetische Sendeleistung betr\u00e4gt etwa 100 W. Zwischen der Sende- und den Empfangsantennen befindet sich eine zentrale Schallquelle, die zusammen mit vier um diese Antennen herum angeordneten Schallquellen das f\u00fcr den RASS-Betrieb ben\u00f6tigte Schallsignal erzeugen. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese \u00e4u\u00dferen Schallquellen unverzichtbar sind, da sonst aufgrund der Verdriftung des Schallsignals bei h\u00f6heren Windgeschwindigkeiten eine zu geringe H\u00f6henverf\u00fcgbarkeit erreicht worden w\u00e4re. Die Schallquellen bestehen aus 4×4 Arrays von Hornlautsprechern mit einer mittleren Leistung des einzelnen Hornstrahlers von 10 W.
\nDas System ist auf einem ca. 2 m x 5 m gro\u00dfem PKW Anh\u00e4nger aufgebaut, der eine komfortable Mobilit\u00e4t bietet. In diesem Aufbau sind die elektromagnetischen Antennen sowie die zentrale Schallquelle fest installiert. Die vier \u00e4u\u00dferen Schallquellen sind f\u00fcr den Transport leicht zu demontieren und im Anh\u00e4nger zu verstauen. Die gesamte Sende- und Empfangselektronik ist ebenfalls zusammen mit einem Auswerterechner im Anh\u00e4nger integriert, sodass f\u00fcr Messkampagnen nur noch eine externe Stromversorgung (230 VAC, 16 A) ben\u00f6tigt wird. Zur Anbindung an andere Datenerfassungsrechner kann eine optionale Datenleitung erg\u00e4nzt werden. Das System kann sowohl \u00fcber einen Bedienrechner vor Ort als auch \u00fcber die Datenleitung oder eine Modemverbindung bedient und gesteuert werden. F\u00fcr die verschiedenen Daten-Zwischenprodukte (wie z.B. Empfangsspektren und Korrelationsfunktionen) und die meteorologischen Messergebnisse (Wind- und Temperaturprofile) existieren Visualisierungsprogramme undDarstellungsm\u00f6glichkeiten (bis hin zum On-line Ausdruck), die eine einfache Bedienung des Ger\u00e4tes und kontinuierliche \u00dcberwachung der Messfunktion m\u00f6glich machen.
\nErste Messungen mit dem fertiggestellten Prototypen zeigen eine Signal-Verf\u00fcgbarkeit \u00fcber 80 % bis zu 250 m H\u00f6he. Um eine weitere Bewertung der Qualit\u00e4t der Messwerte vorzunehmen, wurde im Mai 2002 in einem Windpark eine Vergleichsmesskampagne mit In-Situ-Sensoren an einem Mast durchgef\u00fchrt. Die Ergebnisse dieser Messungen werden im Sommer 2002 vorliegen und die Leistungsspezifikationen des Systems abschlie\u00dfend festlegen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Pr\u00e4sentationen
\nDas System SADRASS wurde auf der internationalen Konferenz ISARS2002 vom 24. – 28. Juni in Rom vorgestellt. Bei dieser Konferenz handelt es sich um eine Fachkonferenz \u00fcber atmosph\u00e4rische Fernerkundung mit akustischen Hilfsmitteln.
\nRegelm\u00e4\u00dfig wurde das SADRASS im Rahmen von Messebeteiligungen (AMS 2002 Orlando, Windenergy 2002 Hamburg, WWEC 2002 Berlin) interessierten Kreisen von Anwender erl\u00e4utert.
\nVortr\u00e4ge
\nValidierung eines Radarinterfometrie-Profilers unter Verwendung eines In-Situ-Sensors, Deutsch-\u00d6sterreichisch-Schweizerische Meteorologen-Tagung, 18. – 21. 09.2001, Wien, \u00d6sterreich
\nEin mobiles Fernme\u00dfsystem zum hochaufgel\u00f6sten Bestimmung von Profilen des Windvektors sowie der mittleren Temperatur (SADRASS), 7. Dreil\u00e4ndertagung der Windtechnologischen Gesellschaft e.V., 22. und 23. 11. 2001, TU Braunschweig
\nIntroduction to a new ground based wind and temperature profiler, COST 720, 17. – 19.06. 2002, LAquilia; Italien
\nSADRASS, a compact wind- and temperature profiler for difficult sites ISARS2002, 24. – 28.06.2002, Rom, Italien
\nArtikel in Fachzeitschriften
\nA mobile Remote-Sensing System for High-Resolved Wind Vector Profiles and Average Temperature Profiles (SADRASS), ESPR-Sonderheft Atmosph\u00e4rische Diagnostik, Erscheinungsdatum: Ende 2002<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit dem SADRASS wurde ein sehr mobiles und leistungsf\u00e4higes Werkzeug zur atmosph\u00e4rischen Fernerkundung geschaffen, das sich besonders f\u00fcr schwierige Messbedingungen und hohe Anforderungen an die zeitliche Aufl\u00f6sung der Messungen eignet. Erste Voruntersuchungen f\u00fcr eine Installation auf einer Offshore-Plattform und auch in der unmittelbaren Umgebung von Wind-Energie-Konvertern wurden erfolgreich durchgef\u00fchrt und zeigen weitere Anwendungsgebiete auf, die von bisher verf\u00fcgbaren atmosph\u00e4rischen Fernerkundungsverfahren nicht bedient werden konnten.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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