Softwareimplementierung für eine hardware-beschleunigte Messsignalauswertung sowie die daran gekoppelte Messvolumenpositionierung für ein auf die SI-Einheiten zurückgeführtes Wind-Lidar-System (WindLidar-PerformOpt)

Abstract

Die PTB entwickelt im Rahmen des Großprojekts "PTB-Wind-Lidar-System" ein neuartiges Windfernmesssystem, um der Windenergiebranche in Zukunft ein autarkes, auf die SI-Einheiten zurückrückgeführtes Referenzsystem zur Bestimmung von Windpotenzialanalysen und Windenergieanlagen-Leistungskurven, sowie zur Kalibrierung konventioneller Lidar-Systeme zur Verfügung stellen zu können. Das hier beschriebene Projekt „WindLidar-PerformOpt“, dessen Ziel es war, sowohl eine FPGA-basierte Echtzeit-Messsignalauswertung zu implementieren als auch eine schnelle automatisierte Messvolumenpositionierung zu entwickeln, fügt sich als einer der letzten Entwicklungsschritte in dieses Großprojekt ein. Die Umsetzung zentraler Signalverarbeitungsprozesse, wie der schnellen Fourier-Transformation (FFT) und der kohärenten Detektion auf dem FPGA, ermöglicht eine deutlich beschleunigte Verarbeitung der Messsignale. So erlaubt es die neue FPGA-basierte Lösung, größere Datenmengen in Echtzeit zu analysieren und die Windgeschwindigkeiten mit hoher Präzision und Auflösung zu bestimmen. Dies stellt eine signifikante Verbesserung der Messsignalauswertung gegenüber der ursprünglichen PC-basierten Verarbeitung dar. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Ansteuerung des optomechanischen Verbunds für die Strahl- und Mess-volumenpositionierung auf einem Industrie-PC entstand das neue zentrale Steuerungsmodul des PTB-Lidar-Systems. Die damit mögliche präzise Steuerung des Messvolumens ist essenziell für den autarken Betrieb des Systems und erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedene Messumgebungen. Durch die enge Kopplung von Signalauswertung und Strahlregelung auf der Softwareebene sowie die Implementierung der speziell an das Gesamtsystem angepassten Optiksteuerung kann das Potenzial des bistatischen Wind-Lidar-Systems der PTB bestmöglich hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Präzision und Stabilität ausgenutzt werden. Dies ist die Grundlage für die Bereitstellung eines Bezugsnormals für kommerzielle Lidar-Systeme zur Windfernmessung. Datei-Upload durch TIB Within the scope of the large-scale project "PTB-Wind-Lidar-System", PTB is developing a novel remote wind measurement system in order to provide the wind energy sector with a self-sufficient reference system traceable to the SI units for the determination of wind potential analyses and wind turbine performance curves, as well as for the calibration of conventional lidar systems. The "WindLidar-PerformOpt" project described here, the aim of which was both to implement an FPGA-based real-time measurement signal evaluation and to develop a fast automated measurement volume positioning system, is one of the final development steps in this major project. The implementation of central signal processing procedures, such as fast Fourier transformation (FFT) and coherent detection on the FPGA, enables significantly faster processing of the measurement signals. The new FPGA-based solution allows larger datasets to be analysed in real time and wind speeds to be determined with high precision and resolution. This represents a significant improvement in measurement signal analysis compared to the original PC-based processing. The new central control module of the PTB lidar system was created with the development and implementation of a new control of the optomechanical network for beam and measurement volume positioning on an industrial PC. The precise control of the measurement volume that this enables is essential for the autonomous operation of the system and allows flexible adaptation to different measurement environments. The close coupling of signal evaluation and beam control at the software level and the implementation of the optical control system, which is specially adapted to the overall system, enables the potential of PTB's bistatic wind lidar system to be utilised to the full in terms of performance, precision and stability. This is the basis for providing a reference standard for commercial lidar systems for remote wind measurement.