Hrg. Dominik Exel,
"Systemdesign und Signalverarbeitung für die RASS-Methode"
, 11-2020
Original Titel:
Systemdesign und Signalverarbeitung für die RASS-Methode
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
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.
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.
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.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
System design and signal processing for the RASS-method
Englische Kurzfassung:
The radio-acoustic-sounding (RASS) principle, known from meteorology, enables contactless measurement of temperature profiles of gases. An emitted sound pulse causes a change in the refractive index in the air due to the density fluctuation. These fluctuations allow scattering of electromagnetic waves. This physical law is used to determine the propagation speed of this sound pulse with a Doppler radar.
Based on the temperature-sound velocity relationship, the temperature of gases can be measured contactless. Adequate backscattering efficiency of the electromagnetic power is a prerequisite for reliable functionality. On the basis of the derived receive power it is shown which factors influence the system behavior. The collocation of the sources and the correct match of the wavelengths (Bragg-condition) are essential. Collocation means that the phase centers of the radar antenna and the tweeter are virtually the same. One realization of this principle is possible with a fine metal grid, which is transparent for the sound waves and acts like a mirror for the electromagnetic waves.
Based on the theory of signal generation, the expected low signal power and the therefore very unfavorable signal-to-noise ratio an optimized signal processing algorithm is presented and derived. It shows that the variance of the temperature estimates changes indirectly proportional to the 4th power of the Bragg cycles. The practical application of this measuring system is shown on the basis of various measurement results.