Von Radiosonden zu Doppler-Lidar: Warum verwendet man für Windmessungen in der oberen Atmosphäre immer noch ein UAV-montiertes Ultraschallanemometer?
Fachartikel | Atmosphärische Windmessung mittels UAVs
Einführung
Die Messung der Windgeschwindigkeit in der oberen Atmosphäre ist unerlässlich für präzise Wettervorhersagen, die Flugsicherheit, den Ausbau erneuerbarer Energien, den Umweltschutz und viele weitere Anwendungsbereiche. Die Windprofilierungstechnologie hat sich von traditionellen Radiosonden zu fortschrittlicheren Doppler-Lidar-Systemen und UAV-montierten Ultraschallanemometern weiterentwickelt.
Um den Lesern ein schnelles Verständnis der wichtigsten Unterschiede zwischen Wind-Lidar und UAV-montierten Ultraschall-Anemometern zu ermöglichen, werden die Hauptmerkmale dieser beiden neuen Ansätze im Folgenden zusammengefasst.
| Vergleichsdimension | Wind Lidar (Fernerkundung) | UAV + Ultraschallanemometer (In-situ-Messung) |
| Funktionsprinzip | Ein Laserstrahl wird in die Atmosphäre ausgesendet. Die durch Aerosolpartikel verursachte Doppler-Frequenzverschiebung wird analysiert, um die horizontale Windgeschwindigkeit und -richtung in verschiedenen Höhen zu berechnen. | Die Drohne fliegt auf die Zielhöhe, wo ihr bordeigenes 3D-Ultraschallanemometer den dreidimensionalen Windvektor am Standort der Drohne direkt misst. |
| Messcharakteristika | Berührungslose, großflächige Fernerkundung. Sie kann über eine Distanz scannen und Windprofile (Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Höhe) oder dreidimensionale Windfeldinformationen über eine definierte Höhe und Reichweite liefern. | Vor-Ort-Einzelpunktmessungen in verschiedenen Höhen. Es liefert einen präzisen dreidimensionalen Windvektor am aktuellen Standort der Drohne. |
| Wichtigste Vorteile | 1) Hohe Sicherheit: Es wird keine fliegende Messplattform benötigt, sodass das System auch in komplexen oder gefährlichen Gebieten wie Flughäfen und in gebirgigem Gelände eingesetzt werden kann. 2) Hohe zeitliche und räumliche Auflösung: Die Daten können kontinuierlich, oft im Minutentakt, aktualisiert werden, wodurch auch schnelle Veränderungen erfasst werden können. 3) Große Reichweite: Die Erfassungshöhe kann sich auf mehrere Kilometer erstrecken. | 1) Hohe Mobilität: Es kann schnell einen bestimmten Ort und eine bestimmte Höhe erreichen und eignet sich daher für mobile Beobachtungen und Notfallmessungen. 2) Hohe Genauigkeit: Unter idealen Bedingungen kann seine Messgenauigkeit als Referenz für die Kalibrierung anderer Instrumente dienen. 3) Integration mehrerer Parameter: Die Drohne kann flexibel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Sichtweite und andere Parameter mitführen, um umfassende atmosphärische Daten zu erhalten. |
| Hauptbeschränkungen | 1) Hohe Kosten: Moderne Wind-Lidar-Systeme können teuer sein. 2) Wetterempfindlichkeit: Die Erkennungsleistung kann bei sehr schlechter Sicht, wie z. B. dichtem Nebel oder starkem Niederschlag, abnehmen. 3) Komplexe Dateninterpretation: Die Windfeldableitung ist algorithmisch bedingt und daher indirekt. | 1) Plattforminterferenzen: Der von den UAV-Rotoren erzeugte Luftstrom kann die Messung stören und erfordert präzise Kompensationsalgorithmen. 2) Flugzeitbeschränkungen: Die Dauer einzelner Flüge ist begrenzt, typischerweise unter einer Stunde, was eine langfristige kontinuierliche Beobachtung unpraktisch macht. 3) Luftraum- und Sicherheitsbeschränkungen: Der Flugbetrieb wird durch Luftraumvorschriften und widrige Wetterbedingungen wie starke Winde und Gewitter eingeschränkt. |
Referenzbild: Bild einer sechsrotorigen Drohne
Wie man die richtige Technologie auswählt
Diese beiden Technologien lassen sich besser als komplementäre denn als konkurrierende Lösungen verstehen. Die richtige Wahl hängt ausschließlich vom Messziel und den Einsatzbedingungen ab.
1. Wählen Sie Wind-Lidar, wenn Sie:
Ein Meteorologe/Prognostiker: Sie benötigen eine langfristige, kontinuierliche Überwachung der Höhenwindfelder von einem festen Standort aus, beispielsweise einer Wetterstation, die Windprofildaten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung für die Wettervorhersage liefert.
Ein Windparkingenieur: Man muss den ankommenden Wind und die Turbulenzen vor einer Turbine aus der Ferne erfassen, um eine vorausschauende Steuerung zu ermöglichen, die Stromerzeugungseffizienz zu verbessern und die Anlagensicherheit zu erhöhen.
Ein Flugsicherheitsmanager: Sie benötigen eine sichere, nicht-invasive Überwachung von Windscherungen und Turbulenzen in der Umgebung sensibler Bereiche wie Flughäfen.
2. Wählen Sie ein UAV-montiertes Ultraschallanemometer, wenn Sie:
Ein Feldforscher oder ein Mitarbeiter im Bereich der Notfallmaßnahmen: Sie müssen schnelle, mobile, temporäre meteorologische Messungen in der oberen Atmosphäre in abgelegenen Gebieten, Katastrophenzonen oder anderen festgelegten Orten durchführen.
Ein Experte für Umweltmonitoring: Sie müssen lokale Windfelder und die Ausbreitung von Schadstoffen in komplexen Umgebungen wie städtischen Bebauungszentren oder Industriegebieten untersuchen.
Ein Kalibrierungs-/Validierungsingenieur: Sie benötigen eine hochpräzise mobile Messreferenz, um Beobachtungen von Wind-Lidar- oder Windprofilradarsystemen zu validieren oder gegenzuprüfen.
Eine kurze Geschichte der Windmesstechnik
1. Radiosonden (Anfang des 20. Jahrhunderts bis heute): Eine ausgereifte, relativ kostengünstige Technologie mit direkten und hochpräzisen Messungen, die die operative Grundlage vieler meteorologischer Beobachtungsnetze bildet. Allerdings sind die Starts typischerweise auf ein bis zwei Mal täglich beschränkt, sodass die resultierenden Beobachtungen zeitlich diskret sind.
2. Windprofilradar (moderne operationelle Systeme): Ein fest installiertes Fernerkundungsradar, das die obere Atmosphäre kontinuierlich abtastet, ähnlich einer atmosphärischen Computertomographie, und dessen Daten minutengenau aktualisiert werden. Es schließt die Lücke in der zeitlichen Auflösung, die Radiosonden hinterlassen. Wind-Lidar stellt ein fortschrittlicheres optisches Verfahren dar, das auf einem verwandten Fernerkundungskonzept basiert.
3. UAVs und Lidar (aufstrebend und sich entwickelnd): Diese Technologien stellen zwei zukunftsweisende Richtungen dar – mobile Beobachtung und intelligente Fernerkundung – und werden zunehmend zu wertvollen Ergänzungen der traditionellen atmosphärischen Beobachtungsnetze.
HongYuv Produkt- und Anwendungsabstimmung
Für atmosphärische Messungen mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) ist das Produktportfolio von HongYuv besonders relevant, wenn leichte, kompakte und aerodynamisch optimierte Windsensoren sowie ein mobiler Einsatz erforderlich sind. Das UAV-spezifische Produktsortiment des Unternehmens umfasst das Ultraschallanemometer HY-SA256 und das dreidimensionale Ultraschallanemometer HY-W3DS2; das breitere Portfolio beinhaltet zudem integrierte UAV-Wetterstationen für die multiparametrische atmosphärische Überwachung.
| HongYuv-Produkt | Typischer Wert für UAV-Anwendungen |
| HY-SA256 UAV Ultraschallanemometer | Ein kompakter Ultraschall-Windsensor für Kleinflugzeuge und unbemannte Plattformen, geeignet für Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsmessungen in niedrigen Höhen. Er kann an einem Mast oder am Boden befestigt werden und ist für mobile UAV-Beobachtungen positioniert. |
| HY-W3DS2 3D-Ultraschallanemometer | Ein miniaturisierter dreidimensionaler Windsensor, der U/V/W-Vektordaten ausgeben kann und in der Atmosphärenforschung sowie bei der UAV-Überwachung Anwendung findet, wo dreidimensionale Windfeldinformationen benötigt werden. |
| UAV-integrierte Wetterstation | Für Missionen, die mehr als nur Winddaten erfordern, kann eine integrierte UAV-Wetterstation je nach Konfiguration Winddaten mit anderen atmosphärischen Parametern wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit, Sichtweite und Niederschlag kombinieren. |
Relevante Anwendungsgebiete umfassen meteorologische Beobachtung, Atmosphärenforschung, UAV-gestützte Umweltüberwachung, Katastrophenschutz, landwirtschaftliche Tätigkeiten und andere Messaufgaben in niedriger Höhe oder mit mobilen Einsatzmitteln. HongYuv-Website (Englisch)
Abschluss
Die Wahl zwischen Radiosonden, Wind-Lidar und UAV-gestützten Ultraschallanemometern sollte nicht einfach als Ersatz einer Technologie durch eine andere betrachtet werden. Jede Methode deckt einen anderen Messbedarf ab. Wind-Lidar eignet sich besonders gut für die kontinuierliche, standortunabhängige und berührungslose Windprofilierung; Radiosonden sind nach wie vor wertvoll für ausgereifte operationelle Atmosphärensonden; und UAV-gestützte Ultraschallanemometer zeichnen sich dann aus, wenn Messflexibilität, schnelle Einsatzbereitschaft, präzise Punktbeobachtungen und der Zugang zu komplexen oder schwer zugänglichen Orten Priorität haben.
Bei UAV-Anwendungen besteht die zentrale technische Herausforderung nicht einfach in der Installation eines Windsensors am Fluggerät, sondern darin, den rotorbedingten Luftstrom zu verstehen und durch geeignete Sensorplatzierung, Plattformkonstruktion und Datenverarbeitungsmethoden zu kompensieren. Genau hier bieten kompakte, UAV-spezifische Ultraschall-Windsensoren einen praktischen Nutzen.
Da sich die Atmosphärenbeobachtung hin zu mobileren, verteilten und anwendungsspezifischen Messungen entwickelt, können mit Ultraschall-Windsensoren ausgestattete UAVs eine wichtige Ergänzung zu festen Beobachtungsnetzen und Fernerkundungssystemen darstellen – insbesondere für lokale Felduntersuchungen, Umweltüberwachung, Notfallmaßnahmen und wissenschaftliche Forschung.
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Hongyuv Technology ist spezialisiert auf die Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung von Sensoren zur Wetter- und Verkehrsüberwachung und verfügt über ein vollständig eigenes, unabhängiges Entwicklungs- und Produktionssystem.
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