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Optische Korrelationssensoren

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Um die Geschwindigkeit einer granularen Strömung oder einer Lawine an einem wohl definierten Ort zu messen, verwenden wir ein ganz einfaches Prinzip, ähnlich zweier Lichtschranken, welche in einem gewissen Abstand voneinander aufgestellt sind. Wir verwenden zwei Sensoren, welche je aus zwei Teilen bestehen: einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor. Wenn die Lawine den Sensor überströmt, wird das von der Quelle emittierte und von der Lawine reflektierte Licht detektiert. Dieses Reflexionssignal weist nun eine für die innere Struktur der Lawine charakteristische Form auf. Der zweite Sensor, welcher einige Zentimeter weiter talwärts montiert ist, registriert ein ähnlich strukturiertes Signal, wie der erste, jedoch ein bisschen zeitverschoben.

Signale der Optischen Korrelationssensoren aufgenommen bei einem Laborversuch auf einer Rutschbahn (Ausschnitt). Man erkannt deutlich, dass das Signal 2 leicht zeitlich gegenüber dem Signal 1 verschoben ist. Natürlich sind die beiden Signale nicht identisch, aber die Ähnlichkeit ist unverkennbar.

Mit der Methode der Kreuzkorrelation kann nun die Zeitverschiebung des zweiten Signals berechnet werden. Weiss man nun die Zeitverschiebung zwischen den beiden Signalen, kann man aus dem bekannten räumlichen Abstand der Sensoren die Geschwindigkeit leicht errechnen. Dieses Verfahren wenden wir nicht nur einmal pro Lawine an, sondern wir unterteilen das Signal, welches einige Sekunden lang ist, in viele kleine Teile, für welche wir sodann je eine Geschwindigkeit berechnen können. Auf diese Weise messen wir nicht die Durchschnittsgeschwindigkeit der Lawine, sondern deren Geschwindigkeitsverlauf. Wenn nun die Geschwindigkeit bekannt ist, kann man aus dem Frequenzspektrum der Signale eine Abschätzung der Dimensionen der Strukturen in der Lawinen machen. Daraus kann man einiges über die Beschaffenheit der Lawine lernen.