Umwelt

Natürlich mit Hertz

Im Geschäftsfeld Umwelt untersuchen die Forscher des Fraunhofer FHR die Einsatzmöglichkeiten von Radar rund um den Themenkomplex Erneuerbare Energien und Umweltmonitoring.

Die Energiewende in Deutschland nimmt langsam, aber kontinuierlich Fahrt auf. Überall entstehen neue Windparks, denn Wind soll der neue Energieversorger werden. Doch an Land (on-shore) wie auf dem Meer (off-shore) gibt es nicht nur Befürworter dieser Art grünen Strom zu erzeugen. Die Planer und Betreiber von Windparks müssen bereits in der Antragsphase nachweisen, dass der geplante Park umweltverträglich ist. Hierbei kann Radar helfen.

Der Sensor Radar ist licht- und wetterunabhängig; er funktioniert bei Tag und Nacht, Regen und Nebel. Mit Radar können Objekte auch über große Entfernungen mit großer Genauigkeit detektiert und aufgelöst, das heißt von anderen Objekten unterschieden werden. Der Sensor kann auf Flugzeuge wie auch auf Vögel angewendet werden. Somit lassen sich nicht nur die rot blinkenden Warnleuchten auf den Windrädern bedarfsgerecht ein- und ausschalten, sondern auch die Rotoren bei Annäherung eines Vogelschwarms anhalten. Mit Radar lässt sich also erfassen, was außerhalb und innerhalb eines Windparks vor sich geht – auch der Zustand der Anlagen kann ergänzend zu bereits bestehenden Sensoren überwacht werden.

Die Herausforderung für die Wissenschaftler hierbei ist, mit möglichst geringer Leistung kleine Objekte in möglichst großer Entfernung aufzuspüren – manchmal auch ohne eigene Sendeleistung. Dann setzen die Forscher auf Passivradar. Hierbei nutzen sie die Signale von Fernsehstationen oder Mobilfunkmasten als Sender und werten nur die Echos aus.

Kein Kunde ist wie der andere

Das Fraunhofer FHR untersucht für seine Kunden in Machbarkeitsstudien die Durchführbarkeit eines Projektes. Das Institut begleitet seine Partner von der Entwicklung eines Systemkonzepts bis zum fertigen Prototypen. Es verfügt dabei nicht nur über das nötige theoretische Know-how sondern auch über die Expertise, solche Systeme in entsprechende Hardware umzusetzen. In aufwändigen Modellen und Simulationen optimieren die Forscher ihr Konzept, ehe sie sich an den Bau des Systems begeben. Die Besonderheit ist, dass die Wissenschaftler die Systeme einzig für ihre Aufgabe entwerfen und nicht bloß Geräte von der Stange an eine Applikation anpassen. Gleichzeitig integrieren die Wissenschaftler möglichst viele Massenmarkt-Komponenten, um die Kosten so niedrig wie möglich zu halten. Außerdem entwickeln sie für jedes System einen speziell angepassten Algorithmus zur Signalverarbeitung – das Herzstück eines jeden Radarsystems.

Für die Erprobung neuer Algorithmen, Verfahren und Komponenten verfügt das Fraunhofer FHR über einen umfassenden Gerätepark an aktiven wie passiven Experimentalsystemen und Prototypen. Zu seinem Netzwerk gehören Partner innerhalb und außerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft sowie natürlich Industrieunternehmen. So können die Wissenschaftler Untersuchungen auch außerhalb des Labors unter Realbedingungen durchführen. Durch diese einzigartige Kombination von Fachwissen und Systemkompetenz erhält der Kunde stets die für ihn beste, weil maßgeschneiderte, Lösung.

Spektrales Sehen

Zwar lässt sich mit Radar auch der Reifegrad von Feldfrüchten feststellen, doch für eine ganzheitliche Erfassung der Umwelt­parameter sind mehr Daten notwendig als sich mit Hochfrequenztechnik allein gewinnen lassen. Am Anwendungszentrum für multimodale und luftgestützte Sensorik (AMLS), eine Kooperation des Fraunhofer FHR und der Hochschule Koblenz, erforscht eine Gruppe die Fusion von Radar und bildgebenden Sensoren für umfassende Untersuchungen von Vegetation und Erdoberfläche aus der Luft. Die Anwendungsmöglichkeiten hierfür sind ebenfalls vielfältig: von der Erfassung des Zustands von Agrar- und Waldflächen über die Messung der Gewässerqualität bis hin zur Überwachung und Dokumentation von Naturschutzmaßnahmen.

Dazu nutzt das AMLS einen speziell angepassten hyperspektralen Snapshot Imager. Der hyperspektrale Ansatz, der ein kontinuierliches Wellenlängen-Spektrum im Sichtbaren und nahen Infrarot liefert, wird zu Forschungszwecken eingesetzt. Dabei werden Vegetationsindices (z. B. der NDVI) aus den Spektraldaten – und nicht nur aus Radar – abgeleitet, um so Rückschlüsse auf den Zustand der Pflanzen ziehen zu können. In Kooperation mit einem Partner wird die Technik auf sehr großen Agrarflächen in Südafrika erprobt und weiterentwickelt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse soll ein anwendungsspezifisches multispektrales System entstehen, das räumlich hochaufgelöst diskrete Wellenlängen spezifisch erfasst und auswertet.

Ein weiteres luftgestütztes Zwei-Kamerasystem zur thermalen Bildgebung großer Gebiete wurde in diesem Jahr ebenfalls aufgebaut und erfolgreich getestet. Das System besteht aus einer Kamera im langwelligen Infrarot (LWIR) zur Detektion der abgestrahlten Wärme. Diese Daten werden mit räumlichen Informationen der zweiten hochauflösenden panchromatischen Kamera ergänzt. Durch diese zweite Kamera werden eine präzise Georeferenzierung sowie eine Mosaikierung der Bilder ermöglicht. Das System kommt bei einer umfangreichen Befliegung an der Elbe zu Einsatz. Weitere Anwendungen in den Bereichen Landwirtschaft, Industrieanlagen sowie Versorgungstrassen werden zurzeit vorbereitet.