Messtechnik extrem

Wie sich mit PXI-Express das Verhalten von Lawinen vorhersagen lässt

| Autor / Redakteur: Matthew Ash* / Hendrik Härter

Damit das Verhalten von Lawinen besser vorhergesagt werden kann, untersuchen Forscher die Lawinendynamik mit spezieller Hard- und Software.
Damit das Verhalten von Lawinen besser vorhergesagt werden kann, untersuchen Forscher die Lawinendynamik mit spezieller Hard- und Software. (Bild: Pixabay / CC0)

Damit das Verhalten von Lawinen besser vorhergesagt werden kann, untersuchen Forscher die Lawinendynamik. Daraus sollen spezielle Gefahrenzonen identifiziert werden. Zum Einsatz kamen Hard- und Software von National Instruments.

Lawinen bedrohen Menschen und ihre Siedlungen: Deshalb ist es wichtig, sie zu untersuchen und Risikozonen zu definieren. Bisher war es schwierig, Modelle zur Voraussage des Lawinenverhaltens zu bewerten, da hochwertige Felddaten nur eingeschränkt vorhanden waren.

Es ist technisch möglich, mit Radarsensoren Felddaten zu erfassen, jedoch liefern sie in ihrer derzeitigen Form nur eindimensionale Abstandsmessungen. Die Sendeleistung schränkt sie zudem auf ein Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 50 m ein, was zu grob ist, um eine echte Darstellung der Lawinendynamik zu liefern.

In einem Projekt wird die zugrunde liegende Dynamik von Lawinen mithilfe eines neu entwickelten Radars mit Phase-Array-Antennen nach dem FMCW-Verfahren = Frequency Modulated Continuous Wave untersucht. Mit dem Radar lassen sich hochauflösende 2-D-Geschwindigkeitsmessungen und eine komplett animierte 2-D-Rekonstruktion von Lawinenereignissen erzeugen.

Am Projekt sind verschiedene Einrichtungen beteiligt: University of Sheffield, University of Cambridge und University College London (UCL). Am UCL arbeitetet man an der Radarsystementwicklung und an der zugehörigen Radarsignalverarbeitung.

Testgelände für Lawinen in der Schweiz

Das Radar wird in einem verstärkten Betonbunker auf einem gut ausgestatteten Testgelände in der Schweiz, im Vallée de la Sionne (VDLS), betrieben. Der Bunker befindet sich am Fuß eines Abhangs gegenüber der Lawinenbahn und bietet den erforderlichen Schutz für die Radarausrüstung.

Das Testgelände dient dazu, Lawinenprozesse mit einer Anordnung von Sensoren wie Radar, Drucksensoren und Akustiksensoren zu untersuchen. Die Forscher können Lawinen künstlich auslösen, um für ihre Experimente zu messen. Dazu wird nach heftigen Schneefällen eine Sprengladung an der Spitze des Berges gezündet. Auf dem Gelände gehen auch häufig natürliche Lawinen ab. Gemessen werden die Lawinen mit automatisch ausgelösten Akustiksensoren.

Im Vorfeld wurden mehrere spezielle Datenerfassungssysteme auf die messtechnischen Anforderungen geprüft. Eine zufriedenstellende Lösung bot National Instruments, da der Hersteller die Hard- und Software der Forscher am besten integriert. Zum Einsatz kommt das Chassis NI PXIe-1082, das mit dem Controller NI PXIe-8130 kombiniert wurde.

Außerdem kam das Datenerfassungsgerät der X-Serie NI PXIe-6366 mit acht Kanälen und einer Auflösung von 16 Bit zum Einsatz, das die für die Anforderungen hinsichtlich Datendurchsatz und Dynamikbereich erforderlichen Spezifikationen erfüllte. In Verbindung mit einer schnellen Solid-State-Festplatte eines anderen Herstellers kann das System ohne Datenverlust oder Pufferüberlauf komplette Lawinenereignisse messen. Einzige Voraussetzung: Sie müssen mindestens zwei Minuten dauern.

Zuverlässige Software war ausschlaggebend

Die Kooperation des Systems mit LabVIEW war ein entscheidender Punkt für das Design der Systemsoftware. Das Radar sollte ohne Ausfälle den ganzen Winter hindurch funktionieren, daher war eine zuverlässige Software ausschlaggebend. Es interagiert zudem mit einem Triggersystem im Bunker auf dem Lawinentestgelände.

Über telefonischen und persönlichen Support durch NI-Mitarbeiter ließ sich LabVIEW schnell so konfigurieren, dass ein Trigger erkannt und die Datenerfassung begonnen werden konnte. Außerdem werden mit LabVIEW verschiedene Relais gesteuert, um den Radarsender einzuschalten. Die Software auf Basis von LabVIEW wurde vor ihrem Einsatz ausgiebig getestet, um ihre Zuverlässigkeit nachzuweisen. Dank der zügigen Softwareentwicklung ließ sich zudem Entwicklungszeit einsparen und das System war rechtzeitig zur Lawinensaison einsatzbereit.

Das am UCL entwickelte Radar richtet sich nach dem FMCW-Verfahren. Gemessen wird durch Mischung des gesendeten linearen, frequenzmodulierten Signals mit dem empfangenen zurückgesendeten Signal. Durch das Mischen wird ein Frequenzunterschied (Schwebungsfrequenz) erzeugt, um Zielbereichs- und Geschwindigkeitsinformationen zu gewinnen.

In diesem Fall liegt die Betriebsfrequenz des Radars bei 5,3 GHz. Sie wurde gewählt, um den tiefer liegenden dichten Bereich der Lawine auszuleuchten. Das FMCW-Radar bietet eine Auflösung im Bereich unterhalb eines Meters mit einer relativ geringen Sendeleistung, da das ausgesendete Signal eine Bandbreite von 200 MHz hat und das Radar kontinuierlich sendet. Durch die Mischung wird zudem die Signalenergie in eine sehr geringe Bandbreite komprimiert, wodurch sich die Belastung der Erfassungshardware des Empfängers im Vergleich zu anderen Impulskompressionsverfahren reduziert.

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