NI LabVIEW und PXI-Messgeräte Messtechnik unterstützt die Flugsicherheit bei einem Vulkanausbruch

Autor / Redakteur: Patrick Chazette / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Im April und Mai 2010 unterbrach der Ausbruch des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull den Flugverkehr über Nord- und Westeuropa. Seitdem wird nach Möglichkeiten gesucht, Restschichten von Vulkan-Aschewolken präzise zu erkennen. National Instruments bietet mit LabVIEW und PXI-Messgeräten eine Lösung, die für die Zukunft sofort bereit steht.

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Das mit einem LIDAR-System von CEA ausgestattete Flugzeug Falcon 20 unternahm zwischen dem 19. April und dem 16. Mai 2010 mehrere wissenschaftliche Flüge, um die Beschaffenheit der Asche des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull zu bestimmen. (Bilder: National Instruments)
Das mit einem LIDAR-System von CEA ausgestattete Flugzeug Falcon 20 unternahm zwischen dem 19. April und dem 16. Mai 2010 mehrere wissenschaftliche Flüge, um die Beschaffenheit der Asche des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull zu bestimmen. (Bilder: National Instruments)

Nach dem Ausbruch des isländischen Vulkans befassten sich auf Anfrage der französischen Regierung verschiedene Behörden damit, die Vulkanasche über dem französischen Luftraum nachzuweisen und zu bestimmen. Das französische Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS), der französische Wetterdienst (Météo France), das französische Raumfahrt-Forschungszentrum (CNES) und der Forschungsdienst Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement (Safire) setzten ein Flugzeug des Typs Falcon 20 ein, um wissenschaftliche Flüge für die Mission durchzuführen.

Grundlage des Überwachungssystems im Flugzeug ist ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) des optischen Messkopfes von Leosphere, einem Spezialisten für Lidar-Messanlagen. LIDAR ist ein optisches Fernmess-Verfahren, mit denen sich Luftverunreinigungen in der Atmosphäre berührungslos messen lassen.

Die Kommission für Atomenergie und alternative Energien (CEA) entwickelte zusammen mit CNRS das LIDAR-System 2004, um damit Luftverschmutzung durch Feinstaub zu kontrollieren. CEA übernahm die Weiterentwicklung des Messgeräts für den Einsatz in mobilen Anwendungen, unter anderem für Kraftfahrzeuge, Wetterballone, Ultraleicht-Flugzeuge und ozeanografische Forschungsschiffe für Umwelt- und Klimastudien.

LabVIEW steuert die aktive Fernerkundung

Das mit der Software für die grafische Systementwicklung LabVIEW gesteuerte LIDAR-System umfasst drei Baugruppen für die aktive Fernerkundung: einen Sender (Laser), einen Empfänger (Teleskop oder Refraktorteleskop) und Signalerfassungs-Hardware.

Der Laser pulsiert auf einer breiten Frequenz im Bereich von einigen wenigen bis zu tausenden Hertz, wobei für die Anwendung eine Frequenz von 20 Hz zur Überwachung der Vulkanasche benötigt wurde.

Die Laserübertragung wird mit der Zeitbasis eines Digitizers synchronisiert. Daraufhin wird der Strahl in die Atmosphäre geschickt, wo er mit Luftmolekülen, Aerosolen - zu denen Vulkanasche gehört - und Wolken interagiert. Ein kleiner Teil dieser einfallenden Photonen aus der Interaktion wird zum Empfänger zurückgestreut und von der Erfassungskette, die aus einem Photoelektronen-Vervielfacher und einem Digitizer besteht, in Spannung umgewandelt. Die benutzerdefinierte Breite des Laserstrahls und die Abtastfrequenz bestimmen die vertikale Auflösung.

Robustes PXI-Messgerät für die Flugmission

Das ursprüngliche LIDAR, das von Leosphere gefertigt wurde, verfügte über den Digitizer NI PCI-5122 mit 14 bit, der in einem PC integriert war. Um allerdings ein System zu entwickeln, das für eine Flugmission am besten geeignet war, passte das Forschungsteam das LIDAR an.

Dazu wurde ein PXI-Messgerät von NI ausgewählt, das in der rauen Umgebung eines Lufteinsatzes einen besseren Widerstand gegen Stöße und Schwingungen bietet. Das Team nutzte das Chassis NI PXI-1000B, das acht PXI-Module aufnehmen kann und implementierte das Digitizermodul NI PXI-5124 mit einer Auflösung von 12 bit, um Messungen mit einer vertikalen Auflösung des 0,75-m-LIDAR mit 200 MHz durchzuführen. Dadurch bestand die Möglichkeit, Oberflächenstrukturen zu erkennen.

Der Digitizer erfasst LIDAR-Signale zusammen mit den GPS-Koordinaten und Flugparametern wie etwa Bewegungen um die Querachse und den Steuerkurs. Die Daten werden über das Datenerfassungs-Modul NI PXI-8430/4 mit RS232-Schnittstelle zwischen den Messgeräten und dem PXI-Modul übertragen. Außerdem wird das Datenerfassungs-Modul NI PXI-6221 eingesetzt, um die Spannung an den Photoelektronen-Vervielfachern der LIDAR-Erkennungskette zu steuern und ein TTL-Signal zu generieren, um die Laserübertragung und die Digitalisierung zu synchronisieren.

Restschichten von Aschewolken genau lokalisieren

Das auf LabVIEW basierende LIDAR-System erfasste Daten, durch die es möglich wurde, Restschichten von Aschewolken im französischen Luftraum und über dem Atlantik genau zu lokalisieren. Abbildung 3 zeigt die Erkennung von Aschewolken und Aschefasern bei einem Flug des Falcon 20 am 11. Mai 2010.

Das LIDAR liefert Informationen über das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Asche, kann aber nicht die chemische Natur und Zusammensetzung der Asche bestimmen. Deshalb sind zusätzliche chemische und Größenverteilungs-Messungen erforderlich, die von einem anderen Flugzeug erfasst werden: dem ATR 42 der Safire-Einheit. Das Forschungsteam stimmte die Flüge der zwei Flugzeuge so aufeinander ab, dass sie möglichst viele Daten sammelten und die Massenkonzentration der Vulkanasche evaluierten.

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Patrick Chazette, CEA/DSM/LSCE:

„Weil das Forschungsteam das LIDAR-System benutzerdefiniert anpasste und um ein PXI-Modul für einen besseren Schwingungswiderstand erweiterte, konnten wir die Aschewolken genau lokalisieren und so die französische Regierung bei der Sicherung des französischen Luftraums unterstützen. Die enge Integration zwischen LabVIEW und PXI vereinfachte Anpassungen und gab uns die Möglichkeit, im Fall einer Umweltkatastrophe schnell zu reagieren. Außerdem steht die Lösung sofort bereit, sollte es zu einem neuen Vulkanausbruch kommen. Das Team plant Verbesserungen am Kontrollpanel, um wichtige Flugparameter in Echtzeit anzuzeigen, unter anderem die Höhe des Flugzeugs. Zudem ist vorgesehen, ein neues Trägheits-Navigationssystem in die LabVIEW-Umgebung zu integrieren.“

* Patrick Chazette, CEA/DSM/LSCE

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