Messtechnik auf fliegenden Plattformen: Laser-Doppler-Vibrometer mit externem Laser und Funkübertragung

DFG

Stand der Technik

Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) ist die präziseste Methode zur berührungslosen Schwingungsmessung. In aktuellen Forschungsprojekten – wie z.B. dem DFG-Projekt „Flyable Mirror“ [1] – wird die Messtechnik bereits mit Drohnen kombiniert, um große oder schwer zugängliche Strukturen zu untersuchen. Dabei werden typischerweise bodengestützte LDV-Systeme eingesetzt, deren Messstrahl über einen an der Drohne angebrachten Spiegel zum Messpunkt geführt wird. Die gewonnenen optischen Rohdaten (Interferenzsignale) werden über das direkte Lasersystem optisch zur Bodenstation übertragen, wo die eigentliche Signalverarbeitung und Auswertung erfolgt.

Allerdings stoßen diese Ansätze an Grenzen: Die Messgenauigkeit wird durch Störeinflüsse entlang der langen optischen Pfade zwischen Boden und Drohne begrenzt, z.B. durch atmosphärische Turbulenzen, Temperaturschwankungen und Vibrationen der Plattform selbst. Zudem erfordern hochpräzise LDV-Systeme leistungsstarke Laser mit hoher Kohärenzlänge, die in Größe, Gewicht und Energieverbrauch für einen direkten Einbau in eine Drohne derzeit ungeeignet sind.

 

Ziel unseres Projekts

Unser ambitioniertes Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen, hochpräzisen und vollständig flugfähigen Laser-Doppler-Vibrometers, das zwei zentrale Innovationen vereint: die Entkopplung von Energieversorgung und Sensortechnik sowie eine robuste drahtlose Datenübertragung. Der leistungsstarke Laser bleibt am Boden, während nur der kompakte, energieeffiziente Interferometer-Aufbau auf der Drohne platziert wird. Der Laserstrahl dient dabei gleichzeitig zur Energieübertragung zur Drohne. Die auf der Drohne gewonnenen hochaufgelösten Messdaten werden erstmals über eine gesicherte Funkstrecke in Echtzeit an die Bodenstation übertragen.

Dieses Konzept ermöglicht:

  • Herausragende Messgenauigkeit: Minimierung von Störeinflüssen durch kurze optische Pfade zwischen Drohne und Messobjekt.
  • Maximale Flexibilität & Bewegungsfreiheit: Einsatz beliebiger Drohnenplattformen, unabhängig von deren Bordstromversorgung. Die Funkübertragung befreit das System von der Notwendigkeit einer direkten optischen Verbindung zur Bodenstation während des Fluges.
  • Robustheit unter Realbedingungen: Das System ist unempfindlich gegenüber Unterbrechungen in der Sichtverbindung für die Datenübertragung und ermöglicht Operationen hinter Hindernissen oder in komplexem Gelände.
  • Zukünftige Erweiterbarkeit: Das Konzept schafft die Grundlage für die spätere Integration einer aktiven Schwingungsanregung per Laserimpuls, um eine gezielte und empfindlichere Ermüdungsdetektion in Strukturen zu ermöglichen.

 

Methoden & Unser Weg

Das Projekt baut auf der einzigartigen Expertise und den wegweisenden Vorarbeiten des Teams auf:

  1. Kernkompetenz in Laser-Doppler-Vibrometrie: Unter der Leitung vonProf. Dr.-Ing. Christian Rembe, einem international anerkannten Experten mit über 20 Patenten und 90 Publikationen auf diesem Gebiet, forscht die Gruppe „Angewandte Messtechnik“ der TU Clausthal seit Jahren an LDV für anspruchsvolle Umgebungen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Unterdrückung von Störungen, z.B. durch differenzielle Messverfahren (DLDV) und die Kompensation des Laser-Speckle-Effekts.
  2. Bewährte Drohnen-Expertise: In enger Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), insbesondere mit Prof. Dr. Umut Durak und Dr. Mohamed Ismail, wurden bereits erfolgreich erste Messungen mit kommerziellen LDV-Systemen und fliegenden Spiegeln durchgeführt. Diese Arbeiten liefern die grundlegende Basis für die Systemintegration auf UAVs.
  3. Innovatives Transfer-Konzept: Im neuen Ansatz wird der Laserstrahl vom Boden aus präzise über ein Trackingsystem in die Optik an Bord der Drohne gekoppelt. Ein um die Eintrittsapertur angeordneter hocheffizienter Photovoltaik-Zelle wandelt einen Teil der Laserleistung in elektrische Energie für den Sensor um. Dies macht das System autark.
    • Das Interferometer an der Drohne ist kompakt, leicht und verbrauchsarm.
    • Der leistungsstarke Laser am Boden gewährleistet die notwendige Kohärenz und eine rauscharme Messung.
  4.  Hochperformante Funkdatenübertragung: Ein zentraler Entwicklungsschwerpunkt ist die Implementierung einer zuverlässigen, hochbitratigen und latenzarmen Funkstrecke für die Übertragung der aufbereiteten Vibrationsdaten zur Bodenstation. Diese Schlüsselkomponente wird durch eine enge Kollaboration mit Prof. Dr.-Ing. habil. Niels Neumann ermöglicht. Mit seiner Professur für Kommunikationstechnik für das industrielle Internet der Dinge (IIoT), mehr als 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen und sieben Patentanmeldungen bringt er die exzellente Expertise für die Entwicklung robuster, industrietauglicher Datenlinks ein. Gemeinsam werden moderne Übertragungsprotokolle und fortschrittliche Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt, um Datenintegrität und Echtzeitfähigkeit auch unter schwierigen Funkbedingungen zu gewährleisten.
  5. Umfassende Analyse: Die Entwicklung wird durch eine detaillierte Analyse der Messunsicherheit sowie experimentelle Untersuchungen zu atmosphärischen Störungen und Vibrationsanregung begleitet. Dies sichert die Zuverlässigkeit und Präzision der neuen Technologie unter realen Bedingungen.

 

Dieses Projekt wird in einem geschützten Forschungsumfeld durchgeführt. Die detaillierten technischen Spezifikationen, Konstruktionsdetails und fortlaufenden Ergebnisse unterliegen vertraulichen Vereinbarungen zwischen den Projektpartnern. Unser Ziel ist es, mit dieser wegweisenden Technologie, die Präzisionsmesstechnik, drahtlose Datenkommunikation und UAV-Plattformen vereint, neue Maßstäbe in der zerstörungsfreien Prüfung und Strukturüberwachung aus der Luft zu setzen.

Bei Interesse an einer Kooperation oder weiterführenden Informationen wenden Sie sich bitte direkt an uns.

 

[1] Schewe, M., Ismail, M. A. A., Zimmermann, R., Durak, U, Rembe, C. (2023). Flyable Mirrors: towards the first airborne laser Doppler vibrometry for large engineering structures, Int. Conf. on Vibration Measurements by Laser and Noncontact Techniques, Ancona, Italy, 21-23 June 2023. Proc. to be published in the IOP Conference Series.