Systemdesign und Signalverarbeitung für die RASS-Methode

Dr. Dominik Exel M.Sc.

Dr. Dominik Exel M.Sc.

Betreuung und Begutachtung durch:

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

2. Begutachter und Prüfer:

A.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Christian Diskus

Weiterer Prüfer:

Prof. Dr.techn. habil. Stefan Johann Rupitsch

Rigorosum: 07. Jänner 2021

Das aus der Meteorologie bekannte Radio-Acoustic-Sounding Prinzip (RASS) macht es möglich Temperaturprofile in Gasen berührungslos zu messen. Bei dieser Methode wird ein Schallpuls ausgesendet, welcher aufgrund der von ihnen verursachten Dichteschwankung eine Änderung des Brechungsindex in dem Gas bewirkt. An diesen Fluktuationen können elektromagnetische Wellen gestreut werden und ermöglicht, unter Ausnutzung des Dopplereffektes die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieses Schallpulses mittels eines Doppler-Radarsystems zu bestimmen.

Abbildung 1: Das ausgesendete Radarsignal wird an den ausbreitenden, akustischen Wellenfronten gestreut. Damit ein messbares Signal detektiert werden kann, muss die Bragg-Bedingung sowie die Kollokation erfüllt sein.

Basierend auf der Temperatur-Schallgeschwindigkeitsbeziehung, welche einen eindeutigen Zusammenhang aufweist, ist eine berührungslose Temperaturmessung von Gasen entlang des Ausbreitungspfades der elektromagnetischen Welle möglich. Eine ausreichende Rückstreueffizienz der elektromagnetischen Leistung ist Voraussetzung für eine zuverlässige Funktionsweise. Anhand der hergeleiteten Empfangsleistung wird gezeigt, welche Faktoren das Systemverhalten beeinflussen. Dabei ist die Kollokation von Schall- und Radarwelle, sowie die richtige Abstimmung deren Wellenlängen (Bragg-Bedingung) essentiell. Kollokation bedeutet, dass die Phasenzentren der Radarantenne und der Schallquelle virtuell gleich sind. Dies wird durch ein genügend feines Metallgitter realisiert, welches für die Schallwellen transparent ist und für die elektromagnetischen Wellen wie ein Spiegel wirkt.

Abbildung 2: Die elektromagnetischen Wellen werden durch das Metallgitter umgelenkt. Somit ist das Phasenzentrum des Hochtöners und der Radarantenne virtuell gleich.

Aufbauend auf der Theorie der Signalentstehung, der zu erwartenden geringen Signalleistung und dem daher sehr ungünstigen Signal-zu-Rauschleistungsabstand wird in dieser Arbeit ein darauf optimierter Signalverarbeitungsalgorithmus vorgestellt und abgeleitet. Dabei zeigt sich, dass sich die Varianz der Temperaturschätzung indirekt proportional zur 4. Potenz zu der Anzahl der Schallzyklen ändert. Anhand verschiedenster Messergebnisse wird die praktische Anwendung dieses Messsystemes gezeigt.

Schlagwörter: RASS, Doppler-Radar, berührungslose Temperaturmessung