Testexperimente zur akustischen Navigation in Eis und Wasser für ...

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

$Planungsraster FP C SoSe2013 Di. 13:30-18:00 h Gruppe \ Tag 9.4 ...$

6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 54 6.2.2 Datennahme Zur Datennahme verfügt das NI PXI System über eine NI 5752 DAQ-Karte mit bis zu 32 analogen Eingängen. Die Eingangssignale können bei einer maximalen Amplitude von ±2, 1 V mit der maximalen Abtastrate von 50 MHz aufgenommen werden [21]. Gesteuert wird die Digitalisierung von einem Labview Programm zur Datenerfassung. Das von Peter Linder entwickelte Programm ermöglicht eine direkte Darstellung der Signale aller 16 ausgelesenen Kanäle des Phasenarrays. Die Software nutzt standardmäßig die vom Phasenarray ausgesendeten Pulse als Trigger, ermöglicht aber auch eine Aufzeichnung der Daten nach manueller Auslösung durch den Benutzer. Bei gewünschter Speicherung der aufgezeichneten Daten, werden die an den einzelnen Kanälen des Analog Digital Konverters anliegenden Spannungen in 16 Bit Integer Werte konvertiert und in eine Textdatei geschrieben. Gespeichert werden die Rohdaten aller 16 Kanäle ohne vorherige Datenverarbeitung. Da Pulsformer und DAQ Karte gleichzeitig an den jeweiligen Kanälen des Phasenarrays angeschlossen sind, ist die Datennahme während der Pulsaussendung nicht möglich. Der Analog Digital Wandler ist während dieser Zeit in Sättigung. Die Pulsbreite gibt hierbei die Dauer des Fensters vor, in dem kein Signal aufgezeichnet werden kann. Bei jeder Messung wurden die Phasenarrays mit einer Abtastrate f Sampling von 50 MHz ausgelesen. Abhängig von der eingestellten Anzahl der Datenpunkte N Sampling wird das Zeitfenster der Datennahme für eine Messung festgesetzt. Die Tiefe d, bis zu der Echos von Strukturen im Eis aufgelöst werden können, hängt folgendermaßen von diesen Parametern ab: d = ∆s 2 = N Sampling · c Schall (6.1) 2 · f Sampling Hierbei ist c Schall die Schallgeschwindigkeit im untersuchten Medium und ∆s die zurück gelegte Wegstrecke der Ultraschall-Signale. Um die Datenmengen zu reduzieren wurde die Anzahl der Datenpunkte N S pro Messung an die erwartete Entfernung zwischen Phasenarray und Struktur im Eis angepasst. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 3840 m s in Eis mit einer Temperatur von 0 ◦ C [4] ergeben sich ca. 26000 Datenpunkten pro 1 m Tiefe und Element des Phasenarrays. Eis in Gletschern erzeugt durch das plastische Fließen des Gletschers beim Aufbrechen einzelner Eislagen oder bei schnellen Temperaturänderungen Störgeräusche. Diese Störgeräusche haben ein sehr breites Frequenzspektrum und unter Umständen eine sehr große Reichweite. In den Rohdaten sind diese Störungen kaum von Signalen zu unterscheiden. Um eine Unterscheidung zu ermöglichen, wurden bei der Datennahme grundsätzlich zwei unterschiedliche Methoden angewandt. Bei einer Untersuchung des Eises in einer ausgezeichneten Richtung ohne Variation des Winkels unter dem die Schallkeule vom Phasenarray ausgesendet wird, können Störgeräusche nur durch Mittlung über mehrere Messungen erkannt werden. Da Störgeräusche zeitlich nicht mit dem Aussenden der Pulse korrelieren, sinkt die Amplitude der Störgeräusche bei einer Mittlung der Daten im Gegensatz zur Signalamplitude. Nachteil ist die Erzeugung sehr großer Datenmengen. Eine andere Methode ist die Variation des Winkels unter dem die Schallkeule ausgesandt wird. Störungen sollten nur unter einem bestimmten Winkel auftauchen. Ein von einem Objekt im Eis reflektiertes Signal sollte beim überstreichen der Schallkeule über einen bestimmten Winkelbereich an Amplitude zu- und abnehmen. 54
6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 55 6.2.3 Datenverarbeitung und Filterung Zur Rauschminimierung wurde ein digitaler Bandpass-Filter auf die Messdaten der einzelnen Kanäle angewandt. Die Wirkungsweise des Filters beruht auf einer Transformation des Signals in die Frequenzdomain mittels einer schnellen Fourier Transformation (FFT) und anschließender Filterung der zum Signal beitragenden Frequenzen. Zur Transformation wurde die TVirtualFFT Klasse aus dem ROOT-Framework des Cern benutzt. Die TVirtualFFT Klasse enthält verschiedene Funktionen zur Fouriertransformation. Die FFT stellt eine schnelle Methode zur Berechnung der Diskreten Fourier Transformation (DFT) eines Signals dar [12]. Der Bandpass Filter besteht aus drei Schritten. • Zunächst wurden die Rohdaten durch die FFT in die Frequenzdomain transformiert. Der mittlere Graph in Abbildung 6.4 zeigt das so erzeugte diskrete Frequenzspektrum des Signals an einem Beispiel. Die Zielfrequenz des Signals liegt bei 780 kHz. • Im Frequenzspektrum wurden nun bestimmte Frequenzen aus dem Spektrum gefiltert. Hierzu wurde die Ausgabe der FFT elementweise mit der Filterfunktion ⎧ ⎨ 0 , für F(i) < a B(i) = 1 , für a ≤ F(i) für b < F(i) multipliziert. Hierbei ist F (i) die Frequenz des i-ten Elements des Frequenzspektrums. Die Magnitude für alle Frequenzen unterhalb der unteren Grenze a und oberhalb der oberen Grenze b des Bandpass-Filters wird so auf Null gesetzt. • Das so erzeugte diskrete Frequenzspektrum wurde nun mit der inversen FFT zurück transformiert. Das gefilterte Signal setzt sich nur noch aus den Frequenzen innerhalb der Grenzen des Bandpass-Filters zusammen. Abbildung 6.4 zeigt die Wirkung des Filters auf die Rohdaten einer Messung in Wasser. Für die Messung wurde das Phasenarray frontal vor einem ca. 12 cm großen Stein im Schmelzkanal positioniert. Die Distanz zwischen Array und Stein betrug 40±5 cm. Bei einer Laufstrecke der Signale von 80±10 cm und einer Schallgeschwindigkeit in Wasser bei einer Temperatur 1 ◦ C von 1407,7 m s ergibt sich eine erwartete Laufzeit von 0,568±0,073 ms. Aufgrund der guten Übereinstimmung der Laufzeit mit der Erwartung, kann das Signal bei 0,57 ms mit dem Echo vom Stein identifiziert werden. Des Weiteren zeigen die Daten bei allen benachbarten Messungen ein Echo nach der gleichen Zeit, lediglich die Amplitude nimmt nach außen hin ab. Die Grenzen des Bandpassfilters wurden hier auf 200 kHz und 1,2 MHz gesetzt. Bei einer weiteren Eingrenzung der Frequenz wurde beobachtet, dass die Signalamplitude sinkt, ohne dass die Amplitude des Rauschens sinkt. 55
Seite 1:
Testexperimente zur akustischen Nav
Seite 4 und 5:
6.2.3 Datenverarbeitung und Filteru
Seite 6 und 7: 1 Einführung Im Zuge der Widerlegu
Seite 8 und 9: Spalte 2 Enceladus Explorer 6 ten a
Seite 10 und 11: 3 Die Eisschmelzsonde IceMole 3.1 D
Seite 12 und 13: 3 Die Eisschmelzsonde IceMole 10 3.
Seite 14 und 15: 3 Die Eisschmelzsonde IceMole 12 Se
Seite 16 und 17: 3 Die Eisschmelzsonde IceMole 14 Or
Seite 18 und 19: 3 Die Eisschmelzsonde IceMole 16 ge
Seite 20 und 21: 3 Die Eisschmelzsonde IceMole 18 Ab
Seite 22 und 23: 4 Messung von Ultraschallwellen 4.1
Seite 24 und 25: 4 Messung von Ultraschallwellen 22
Seite 26 und 27: 5 Tests des Akustischen Positionier
Seite 54 und 55: 6 Tests des Akustischen Systems zur
Seite 70 und 71: Literaturverzeichnis [1] Comets and
Seite 72 und 73: Literaturverzeichnis 70 [31] Wilhel
Seite 74 und 75: Abbildungsverzeichnis 72 5.1 Signal
Seite 76 und 77: Abbildungsverzeichnis 74 6.4 Filter
Seite 78: Selbstständigkeitserklärung Ich e
Alle anzeigen

Testexperimente zur akustischen Navigation in Eis und Wasser für ...

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?