Doktorarbeit
Improved intermittent clutter filtering for wind profiler radar
Volker Lehmann (05/2008-05/2010)
Betreuer: Thomas Foken
Die bodengebundene Fernmessung des Vertikalprofiles des horizontalen Windvektors in der Atmosphäre mittels Radar-Windprofiler (RWP) ist eine Technik, die sich seit der ersten Demonstration mit dem Jicamarca Radar durchWoodman und Guillen im Jahre 1974 erheblich weiterentwickelt hat. Derzeit existieren mehrere operationelle Netze dieser Instrumente in den USA, Europa und Japan, die kontinuierliche Windmessungen in Echtzeit bereitstellen, wobei ein Großteil dieser Daten erfolgreich in numerischen Wettervorhersagemodellen assimiliert wird. Obwohl diese Tatsache einen Hinweis auf den Reifegrad des Verfahrens gibt, zeigt die praktische Erfahrung jedoch, dass weitere Verbesserungen sowohl nötig als auch möglich sind. Die hohe Empfindlichkeit dieser "Klarluftradargeräte" ist dabei einerseits eine notwendige Voraussetzung, um die schwachen Echos aus der Atmosphäre überhaupt empfangen zu können, macht die Systeme aber andererseits auch sehr störanfällig in Bezug auf unerwünschte Rückstreusignale und externe Hochfrequenzeinstreuung. Die Signalverarbeitung muss daher vor allem das Problem der Filterung dieser Störungen behandeln, um entsprechende Messfehler zu vermeiden.
Ein spezielle Schwierigkeit sind dabei Fehlechos von fliegenden Objekten, z.B. Flugzeugen und Vögeln, die starke intermittierende Beiträge zum Empfangssignal generieren. Die RWP-Standardsignalverarbeitung ist aufgrund unzutreffender Annahmen nicht in der Lage, derartige Signale adäquat zu behandeln. Mit der Entwicklung komplexer mathematischer Werkzeuge zur Analyse instationärer Signale in den letzen zwei Jahrzehnten und einem besseren Verständnis der in der Praxis relevanten Störechos sind eine Reihe von Anstrengungen unternommen worden, um speziell das anspruchsvolle Problem der von Zugvögeln verursachten Fehlechos zu bewältigen.
In dieser Dissertation wird gezeigt, dass im Falle vorhandener instationärer Fehlechos eine simultane Zeit-Frequenzdarstellung von RWP-Rohdaten auf Basis der gefensterten Fourier-Transformation im Vergleich zu anderen Signalrepräsentationen, insbesondere reinen Zeit- oder Frequenzdarstellungen, ein wesentlich deutlicheres Bild der Signalstruktur vermittelt. Durch Kombination einer numerisch realisierbaren diskreten Gabor-Framezerlegung mit einem statistischen Test für ein stationäres Gaußsches Zufallsignal konnte ein vielversprechender Clutterreduktionsalgorithmus entwickelt werden. Dieser wird durch die Wahl von quasi-festen Frames und eine die dünne Darstellung von Atmosphären- und Cluttersignal begünstigenden Zeit- Frequenzauflösung optimiert. In ersten Vergleichen haben die Ergebnisse dieser Methode die Leistung der bisher verwendeten Verfahren übertroffen, obwohl bei Extremzugereignissen weiterhin eine zusätzliche Qualitätskontrolle notwendig ist. Mit hoher Wahrscheinlichkeit stößt man hier an prinzipielle Grenzen der radarbasierten Windmessung. Allerdings lässt sich eine solche Qualitätskontrolle der Messungen mittels Kombination eines durch den Gabor-Algorithmus geliefertes Stationaritätsmaßes mit weiteren a-priori Informationen über typische Atmosphärenechos realisieren.