UAV-basierte Nahfeld-Fernfeld-Transformation zur detaillierten Charakterisierung großer Emissionsquellen unter Betriebsbedingungen

• Antragsteller: Stefan Jacob, Ph.D.; Privatdozent Dr.-Ing. Thomas Kleine-Ostmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541019206

Die Beschreibung der Wellenausbreitung in der Atmosphäre ist von großem Interesse für Wissenschaftler aus verschiedenen physikalischen Disziplinen. Besonders die Charakterisierung von Emissionsquellen spielt eine entscheidende Rolle in diesem Forschungsfeld. Während kleine Emissionsquellen in der Regel in speziellen Laboruntersuchungen untersucht werden können, gestaltet sich die Charakterisierung großer Emissionsquellen mit den herkömmlichen Methoden oft als unzureichend. Solche große Emissionsquellen können entweder akustischer oder elektromagnetischer Natur sein und umfassen Beispiele wie Windkraftanlagen, Biogaskraftwerke, Antennen und Radarsysteme. Im Rahmen dieses Projekts entwickeln wir eine innovative Messtechnik, die es ermöglicht, die Leistung und die Richtcharakteristiken großer Emissionsquellen während ihres Betriebs ohne Modifikation zu charakterisieren. Diese Methode basiert auf der Verwendung von Drohnen, die mit modernster Messtechnik ausgestattet sind und sich frei im Nahbereich der Emissionsquellen bewegen können. Anschließend wenden wir eine spezielle Transformationsrechnung an, um aus den diskreten Messdaten auf einer Hüllfläche um der Emissionsquelle deren Charakteristiken zu extrahieren. Diese gewonnenen Daten sind von besonderer Bedeutung, da sie es ermöglichen, das Fernfeld der Emissionsquelle zu rekonstruieren. Die Prinzipien der wellenförmigen Ausbreitung unterliegen in verschiedenen Disziplinen ähnlichen mathematischen Gesetzmäßigkeiten. Daher ist unsere Methode leicht von elektromagnetischen auf akustische Felder übertragbar. In unserem Projekt demonstrieren wir diese Interdisziplinarität und erwarten Ergebnisse, die in vielfacher Hinsicht von großem Interesse sind. Des Weiteren untersuchen wir die Unsicherheiten, die mit unserer Methode einhergehen, insbesondere im Hinblick auf die herausfordernden Messbedingungen auf einer fliegenden Plattform. Hierfür nutzen wir numerische, analytische und experimentelle Daten, die im Rahmen des Projekts gesammelt werden, und integrieren sie in statistische Modelle zur Bestimmung der Messunsicherheit. Basierend auf diesen Untersuchungen entwickeln wir Messplattformen unterschiedlicher Komplexität, speziell in Bezug auf Position, Zeit und Messgrößen in Abwägung zu den zu erwartenden Genauigkeiten. Nach Abschluss des Projekts präsentieren wir eine fliegende Messplattform und demonstrieren die Leistungsfähigkeit unserer Methode. Darüber hinaus diskutieren wir potenzielle Schwächen und die Skalierbarkeit der Methode hinsichtlich der Anzahl der eingesetzten Drohnen und der verwendeten Messtechnik. Wir sind zuversichtlich, dass solche fliegenden Messplattformen in der Zukunft dazu beitragen werden, Fernfelder präziser vorherzusagen und die Kalibrierung großer Emissionsquellen zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2433: Messtechnik auf fliegenden Plattformen