Anwendungsberichte

Eine Anwendung, die Wellen schlägt

Erforschung der Wellendynamik mit USB 3 Kameras von IDS

Research on wave dynamics  – with USB3 uEye CP

Für die Küstenformung spielen Wellen eine zentrale Rolle. Die Entstehung von Wellen und deren Fortbewegung sind daher zentrale Faktoren für die Küstenmorphologie. Diesem Thema widmet sich das LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels à Grenoble): Wissenschaftler des Institutes untersuchen dort die Wellendynamik, insbesondere in flachen Umgebungen, um detaillierte Erkenntnisse über den Energieaustausch zwischen Wellen zu erlangen. Ziel ist die Entwicklung einer Wellenmeteorologie, die nicht nur für den Schiffsverkehr unmittelbar von Bedeutung ist, sondern längerfristig sogar zur Simulation der Auswirkungen des Klimawandels dienen soll.

Anwendung

Research on wave dynamics  – with USB3 uEye CP
Insgesamt 8 USB 3.0 uEye Kameras erfassen 16 m des
Wellenkanals.

Wellen in flachen Gewässern weisen eine andere Dynamik auf als sogenannte Offshore-Dünung. LEGI widmet sich derzeit der Erforschung zufälliger Flachwellenmuster und deren Auswirkungen auf die Küstenmorphologie. Insbesondere beobachten die Forscher die Entstehung und die Wechselwirkung von sogenannten Solitonen. Dabei handelt es sich um Wellen, die sich ohne Formänderung fortpflanzen. Das Zusammenspiel zweier Solitonen ist elastisch, d.h. es findet kein Energieaustausch, sondern nur eine Zeitverzögerung statt. Wenn viele Solitonen zusammenwirken, kann deren Frequenz vollkommen zufällig werden, was insbesondere deren Schwellung verändert. Dies wiederum kann Auswirkungen auf die Wechselwirkungen zwischen Wellen und Bauwerken, wie Hafeninfrastrukturen oder Windparks, haben.

Die Beobachtung dieser spezifischen Zustände des Wellengangs erfordert ein Messwerkzeug, das sowohl eine räumliche als auch eine zeitaufgelöste Messung ermöglicht. LEGI verwendet dafür einen eigens errichteten 36 m langen und 50 cm breiten Wellenkanal. Diese Dimension erfordert Kameras, die ein besonders großes Sichtfeld abbilden, um das Wellenprofil über eine maximale Länge aufnehmen zu können.

Hoher technischer Einsatz

LEGI beauftragte das französische Unternehmen R&D Vision mit der Integration eines entsprechenden Kamerasystems. Die Lösung: eine Multikameraanwendung mit 8 synchronisierten IDS USB 3 UI-3060CP Rev. 2 Kameras. Jede dieser Kameras visualisiert einen zwei Meter langen Schnitt durch die Glasseitenwände, mit einer horizontalen Millimeterauflösung. So ist es möglich, eine Gesamtlänge von 16 Metern des zentralen Abschnitts des Kanals zu visualisieren.

Research on wave dynamics  – with USB3 uEye CP
Der 36 m lange und 50 cm breite Wellenkanal dient der
Beobachtung der spezifischen Zustände des Wellengangs.

Zwei der größten Herausforderungen dieses Systems sind der Durchsatz der Kameras und die damit verbundene Speicherkapazität. R&D Vision entwickelt seit vielen Jahren ein spezifisches Know-how für die Aufnahme von Bildern in "Direct to Disk" mit sehr hoher Geschwindigkeit über lange Zeiträume. Die beschriebene Applikation verfügt über eine RAID-Struktur aus sehr leistungsfähigen SSD-Platten, die eine verlustfreie Rohdaten-erfassung bis zu einem Durchsatz von 1,2 Gb/s garantiert. Für Aufnahmen, die länger als 3h30 dauern, beträgt die Speicherkapazität der Videoplatte 15Tb – eine wichtige Voraussetzung zur Beobachtung von Phänomenen über lange Zeiträume und die Untersuchung einer längeren Abfolge von Experimenten.

Zur Sicherstellung der Kamerakonfiguration und Bildsequenzerfassung hat R&D Vision eine eigene Software-Suite entwickelt, die alle spezifischen Funktionen der IDS-Kameras komplett einbindet. Mit einer Auflösung von 1936 x 1216 Pixel und einer Framerate von 166 fps ist die UI-3060CP-M-GL Rev. 2 die perfekte Kamera für die besonderen Anforderungen an Geschwindigkeit und Auflösung. Die spektrale Empfindlichkeit des Sony CMOS-Sensors und geringes Rauschen waren ebenfalls wichtige Auswahl-Kriterien, um eine optimale Bildqualität zu gewährleisten. Das USB3 Interface wurde aufgrund der großen Anzahl von Kameras, des Durchsatzes und der Länge der Kabel gewählt. Zur Energieversorgung der Kameras werden 20 m Aktivkabel verwendet.

Ergebnisse

Research on wave dynamics  – with USB3 uEye CP

Sobald die Bilder aufgenommen sind, extrahieren die Wissenschaftler des LEGI die Wasserkontaktlinie an den Seitenfenstern, um die Wasseranhebung, d.h. die Veränderung der Wasserhöhe, auf einer Länge von 16 Metern zu rekonstruieren. Durch das gewählte Kameramodell erreichen die Forscher eine sehr hohe vertikale Auflösung der Wasseranhebung von weniger als 100 Mikrometern, wodurch eine sehr hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Die maximale Framerate der Kameras ermöglicht darüber hinaus die Erfassung der zeitlichen Dynamik der Wellen.

Für Nicolas Mordant, Professor für Mechanik im LEGI Diphasic Flow and Turbulence Team, eine innovative Lösung: " für die experimentelle Untersuchung des Seegangs ist dieses Kamerasystem für uns das ideale Werkzeug, insbesondere bei zufälligen Ereignissen. Der Einsatz dieser 8 synchronisierten HD-Kameras stellt einen sehr innovativen Ansatz für extrem genaue, simultane Raum- /Zeit-Messungen dar.“

Perspektive

Als nächstes wollen die Wissenschaftler an einem Ende des Kanals einen künstlichen Sandstrand anlegen. Mithilfe der IDS-Kameras sollen der gesamte Strand am Ende des Kanals visualisiert werden und Messungen im sogenannten  PIV (Particle Image Velocimetry)– Verfahren durchgeführt werden. So trägt das Multikamerasystem, bestehend aus 8 IDS USB 3 UI-3060CP Rev. 2 Kameras dazu bei, die Auswirkungen von Wellenregimen auf die Strandmorphologie besser zu verstehen. Die Untersuchungsergebnisse können wichtige Erkenntnisse für die Planung der Küsteninfrastruktur haben, um bspw. Häfen oder andere Ansiedlungen künftig besser vor den Auswirkungen des Klimawandels, wie Hochwasser, zu schützen.

USB 3 uEye CP - Unglaublich schnell, unglaublich zuverlässig, unglaubliche Sensoren.

IDS Industrial camera USB 3 uEye CP

Interface: USB 3.0
Modell: UI-3060CP-M-GL Rev.2
Sensortyp: CMOS
Hersteller: Sony
Framerate: 166 fps
Auflösung: 1936 x 1216
Shutter: Global Shutter
Optische Klasse: 1/1.2“
Abmessungen: 29,0 x 29,0 x  29,2 mm
Gewicht: 52 g
Anschluss: USB 3.0 Micro-B, verschraubbar
Anwendungen: Astronomie, Biotechnologie, IST (Intelligente Verkehrssysteme), Visualisierung und Analyse, Lichtschwache Umgebungen (low light),Qualitätssicherung

Kunde

R&D Vision ist ein französisches Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Herstellung von innovativen optischen Messlösungen mit integrierter Bildaufnahme und –analyse spezialisiert hat - für unterschiedlichste Anwendungsbereiche.

http://www.rd-vision.com/r-d-vision-eng

LEGI - Labor für geophysikalische und industrielle Strömungen - ist ein öffentliches Forschungslabor der Universität Grenoble Alpes. Die Forschung auf dem Gebiet der Strömungsmechanik und –übertragung umfasst zahlreiche Anwendungsfelder stets Bezug nehmend auf Umwelt- und Industriefragen.

http://www.legi.grenoble-inp.fr/web/