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.