Entwurf eines neuen Radar-Windprofilers für die Troposphäre mit NI

Entwurf eines neuen Radar-Windprofilers für die Troposphäre mit NI LabVIEW
"Mithilfe von LabVIEW konnten wir die Anzeigen
des ATI-Profilers entwerfen, die einfach kurze
Einblicke in das Flugleitsystem ermöglichen, und
etliche neue Funktionen zur Unterstützung der
Bediener erstellen, darunter Windaufzeichnungen
ähnlich einem Balkendiagramm."
- Scott McLaughlin, DeTect Inc. (http://www.detect-inc.com)
Die Aufgabe:
Entwicklung eines Radar-Windprofiler-Systems, das vor Ort technische Unterstützung für aerostatische Systeme liefern kann
Die Lösung:
Vollständige
Kundenlösung
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Einsatz von NI LabVIEW für den Entwurf einer intuitiven grafischen Schnittstelle und eines hochentwickelten Funkerfassungssystems
Autor(en):
Scott McLaughlin - DeTect Inc. (http://www.detect-inc.com)
Bei Applied Technologies wurde ein neuer Typ eines Radar-Windprofilers entworfen, getestet und aufgebaut. Er wurde notwendig, da ein System benötigt
wurde, das vor Ort technische Unterstützung für ein aerostatisches System liefert.
Ein Luftfahrzeug – ein großes, verankertes Luftschiff (Zeppelin), durch das Überwachungsradars oder andere Elektronik in der Luft gehalten werden –
befindet sich in der Regel auf 3500 bis 5000 Metern Höhe. Unser Windprofiler-System ist ein modernes Impuls-Doppler-Radarsystem, das bei 449 MHz
betrieben wird. Das Besondere daran ist, dass die Antenne ein Feld mit Yagi-Elementen nutzt und innerhalb eines Kegels über dem Radar bis zu 25 Grad
zur vertikalen Achse beliebig ausgerichtet werden kann. Durch fortwährendes und aktives Lenken des Antennenstrahls wird vermieden, dass der
Hauptstrahl auf das Luftfahrzeug gerichtet wird. Das verhindert ebenfalls jegliche starke Beleuchtung der Nutzlast des Luftfahrzeugs. Interferenzen
werden dadurch erheblich reduziert.
Weitere wichtige Systemmerkmale sind der digitale ZF-Empfänger (Zwischenfrequenz), die intelligenten Algorithmen für die Signalerkennung sowie
umfassende Zustandsüberwachung. Die digitale Zwischenfrequenz sorgt dafür, dass der Empfänger stark vereinfacht und äußerst zuverlässig ist. Die
Software für die intelligenten Algorithmen für die Signalerkennung nutzt mehrere Routinen zur Auswahl von Signalspitzen und zur Identifizierung sowie
Analysen zur Kontinuität von Zeit und Höhe, um Funkfrequenzstörungen wie Vögel und weitere Signaturen nichtatmosphärischer Rückstreuungen
herauszufiltern. Die Routinen für die intelligenten Algorithmen für die Signalerkennung ermöglichen kürzere Mittelungszeiten und höhere
Datenaktualisierungsraten als die klassische Verarbeitung.
Mit der Software LabVIEW (http://www.ni.com/labview/d) konnten wir die Anwendung mit zwei Programmierern in nur 18 Monaten fertigstellen. Dabei
entwickelten wir eine große Anzahl intuitiver Grafiken für Diagnosefunktionen sowie die reguläre Datenerfassung. Wir können alle Facetten der Steuerung,
der Kommunikation und des Datenflusses von Untersystemen in Echtzeit betrachten. Die meisten Anzeigen lassen sich so einrichten, dass sie 24
Stunden oder länger Daten zusammentragen und wiedergeben können. Dadurch können wir Trends bei Atmosphärendaten oder der
Systemüberwachung leicht feststellen. Dank der Aufzeichnung von Rohdaten über einen langen Zeitraum können wir Längen der schnellen
Fourier-Transformation (FFT) von 64.000 und mehr erreichen (unterstützt Filterstörungen wie z. B. Funkfrequenzstörungen). Die vielen verschiedenen
Funktionen in LabVIEW – von der Kommunikation über einfache, maschinennahe Fehlerbehandlung bis hin zu umfangreichen Benutzeroberflächen –
erlaubten es uns, äußerst anspruchsvolle Steuer- und Anzeigeprogramme in relativ kurzer Zeit zu schreiben.
Die Datensystemsoftware, die wir unter Verwendung von LabVIEW entwickelten, besteht aus zwei Hauptprogrammen. Das erste ist das Dwell Module,
das die Radarhardware steuert und die anfängliche Datenverarbeitung durchführt. Das zweite ist das Modul für die intelligente Signalerkennung (ASD),
bei dem es sich um eine neue Umsetzung veröffentlichter Verfahren handelt, die Forscher der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)
im Laufe der letzten Jahre entwickelten. Das Dwell Module erfasst die Daten und schickt für jeden Erfassungszyklus Spektrenausschnitte an das
ASD-Modul. Das ASD-Modul wählt dann mehrere Spitzen mittels der Analysen zur Kontinuität von Zeit und Höhe mit integrierter automatischer
Qualitätskontrolle aus, um Ausreißer und fehlerhafte Daten zu reduzieren, die aufgrund von Vögeln, Funkfrequenzstörungen und anderen Faktoren
entstehen.
Die Qualität der Daten ist beim Betrieb von Luftfahrzeugen extrem wichtig, da dadurch die Gesamtmittelungszeit minimiert (vorzugsweise auf unter zehn
Minuten) und die Aktualisierungsrate maximiert (mind. alle zwei Minuten) wird. Mithilfe des ASD-Moduls können wir kurze Mittelungen erzielen und Daten
zu Wind und Turbulenzen, die laufend aktualisiert werden, kontinuierlich erfassen, damit Bediener zu potenziellen Gefahren durch Wetterbedingungen
benachrichtigt werden können.
Bei der Steuerungsfunktion für den kompletten Strahl nutzt das Radar aerostatische Positionsangaben und bewegt den Hauptstrahl jeweils an eine
andere Position. Die Dwell-Software erreicht dies automatisch und langsam, damit die Algorithmen für die Qualitätskontrolle durch Zeit-Höhe weiterhin das
Windspektrensignal verfolgen können. Glücklicherweise bewegt sich auch das Luftfahrzeug langsam, sodass kaum Daten während des normalen
Flugbetriebs verloren gehen. Neben der Umgehung des Luftfahrzeugs durch den Einsatz von Strahlsteuerung nutzt das System auch eine
programmierbare Nahechodämpfung (zeitabhängige Verstärkungsregulierung), die das Frontend des Empfängers dämpft und den radialen Abstand des
Luftfahrzeugs verfolgt, um die Sättigung des Windprofiler-Empfängers zu verhindern – insbesondere, wenn sich das Luftschiff in Bodennähe befindet. Die
Nahechodämpfung verhindert auch eine Sättigung des Empfängers in den ersten Gattern, die durch nahen Bodenclutter entstehen kann.
Das Überwachungssystem für die Radarhardware besteht aus einem einfachen, zuverlässigen Mikroprozessor und diversen Schnittstellenkarten zum
Abtasten der verbrauchten Leistung, der RF-Leistung und der digitalen Statusbits. Es überwacht das Radarsystem vollständig, um Ausfälle der Geräte
festzustellen, und richtet die Antenne aufgrund von Befehlen aus, die das Überwachungssystem von der Dwell-Software erhält. Das System wird
unabhängig vom Dwell-Rechner ausgeführt, liefert jedoch Statusdaten an die Dwell-Software für die Prüfung durch das Bedienpersonal. Die Daten
werden in Echtzeit in der Dwell-Software und auf einem LCD am Chassis des Radarhardwareüberwachungssystems angezeigt Werte, die außerhalb der
Spezifikation liegen, werden aufgezeichnet. Das Radar kann abgeschaltet werden, wenn ein fehlerhaftes Untersystem erkannt wird.
Das System soll sich leicht warten lassen. Daher befinden sich die meisten Wartungsanschlüsse (und Sicherungen) auf der Vorderseite der im Rack
montierten Geräte. So lassen sich Werte schnell mit einem Voltmesser oder Oszilloskop prüfen, ohne dass dazu Geräte aus dem Rack entfernt oder
Verbindungen auf der Rückseite wiederhergestellt werden müssen. Überspannungsschutz ist bei praktisch allen externen Schnittstellen vorhanden.
Die neue Software macht umfassenden Gebrauch von Grafikanzeigen, um die Daten in ihren verschiedenen Zuständen zu zeigen, damit das
Bedienpersonal die Gültigkeit der Daten und den Zustand das Radarsystems bestimmen kann. Mithilfe von LabVIEW konnten wir die Anzeigen des
ATI-Profilers entwerfen, die einfach kurze Einblicke in das Flugleitsystem ermöglichen, und etliche neue Funktionen zur Unterstützung der Bediener
erstellen, darunter Windaufzeichnungen ähnlich eines Balkendiagramms.
Diese neuen Entwicklungsfunktionen wurden für die Anforderungen eines einsatzbereiten Standorts für aerostatische Systeme erstellt, können aber auch
in der Forschung und bei Wettervorhersagen verwendet werden. Sie wirken sich kaum auf den Preis eines Windprofiler-Systems aus. Das neue System
verbessert insgesamt die Zuverlässigkeit, die Bedienfreundlichkeit, die Wartungsfreundlichkeit und die Datenqualität.
Autor:
Scott McLaughlin
DeTect Inc. (http://www.detect-inc.com)
1820 Delaware Place, Unit D
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www.ni.com
Longmont, CO 80501
Tel: 303-848-8090
[email protected] (mailto:[email protected])
Der Windprofiler von Applied Technologies ist so ausgelegt, dass er einen schnellen, direkten Vergleich von Daten ermöglicht, die aus NOAA- und ATI-Quelldaten
stammen.
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM „IST-ZUSTAND“
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