Parallelstrahl-Laser-Radar: Vorteile gegenüber Scansystemen

Für F&E-Ingenieure, Metrologiespezialisten und Experten für Schwingungsprüfungen war die Herausforderung, strukturelle Dynamiken zu erfassen, schon immer mit einem grundlegenden Kompromiss verbunden. Herkömmliche scannende Laser-Vibrometer können eine hohe räumliche Auflösung bieten, erfassen Daten jedoch Punkt für Punkt.

Welche Nachteile haben scannende Laser-Vibrometer?

• Vorbereitung der Messung: Einzelpunkt-Scanning-Laser-Vibrometer müssen im Voraus ein Raster definieren, in dem der Laser Messungen durchführt. Bei komplexen Proben kann die Rastererzeugung zeitaufwendig sein

• Zeitbasiert: Schnelle, transiente Ereignisse enden, bevor der Scan abgeschlossen ist.

• Geschwindigkeit: Detaillierte Untersuchungen dauern Stunden.

• Genauigkeit: Die Struktur bewegt sich zwischen den Scanpunkten, was zu Datenfehlern führt.

In Anwendungen wie der Strukturprüfung in der Luft- und Raumfahrt, der NVH-Validierung im Automobilbereich oder der Überwachung des Bauwerkszustands verhindern diese Einschränkungen, dass Ingenieure die benötigten Messungen erhalten. Hier verändert die Parallelstrahl-Laser-Radar-Architektur, was in der berührungslosen Vibrometrie möglich ist.

Dieser Beitrag erklärt, wie Parallelstrahl-Laser-Radar funktioniert, warum es gescannte Systeme übertrifft und wie die Q1- und Q2-Plattformen von Ommatidia LiDAR diese Fähigkeit bereitstellen.

Was macht Radar zur Schlüsseltechnologie der Zukunft?

Radartechnologie hat sich von einem militärischen Ortungssystem zur Schlüsseltechnologie aktueller Industrieanwendungen entwickelt. Ob in Fahrzeugen, der Prozessautomatisierung oder im Gesundheitswesen – Radar liefert präzise Daten unter extremen Bedingungen.

Parallelstrahl-Laser-Radar vers. gescannte Systeme

Herkömmliche gescannte Systeme, wie galvanometerbasierte Laser-Vibrometer oder mechanische Laser-Tracker, messen einen Punkt nach dem anderen. Dieser Ansatz kann präzise sein, ist aber zeitaufwendig, erfordert bewegliche Teile und kann transiente Dynamiken während Schwingungsprüfungen übersehen.

Parallelstrahl-Laser-Radar misst mehrere Punkte gleichzeitig. Beispielsweise erfasst der Ommatidia LiDAR mit dem Q1 (128 parallele Kanäle) und dem Q2 (65 parallele Kanäle) wesentlich mehr Daten, und das viel schneller, denn es werden 65 oder 128 Punkte gleichzeitig gemessen, um dichte Punktwolken und Schwingungskarten zu erzeugen. Außerdem sind die Inspektionszyklen durch reduzierte Erfassungszeiten auf Minuten in Feldversuchen schneller, sodass Ingenieurteams Entwürfe schneller iterieren und mehr Prüfungen durchführen können. Die gleichzeitige Messung aller Punkte bewahrt die Zeitbeziehungen, die für die operationale Modalanalyse (OMA) erforderlich sind.

Überblick über den Automobil-Radar-Markt

Der Markt für Automobil-Radarsysteme wächst dynamisch. Neue Sicherheitsvorgaben, der Trend zum autonomen Fahren und technologische Fortschritte wie 4D-Radar und verteilte Systeme treiben die Entwicklung voran.

Wie funktioniert Parallelstrahl-Laser-Radar mit PIC-Technologie?

Die Systeme von Ommatidia basieren auf der Photonic-Integrated-Circuit-Technologie (PIC), die mehrere parallele Laserstrahlen gleichzeitig erzeugt und verwaltet. Jeder Strahl fungiert als unabhängiges Laser-Doppler-Vibrometer und misst mittels Laserinterferometrie ständig, wie schnell sich die Oberfläche bewegt. Das System projiziert ein Raster von Laserstrahlen auf die Struktur. Wenn sich die Oberfläche bewegt, ändert sie die Laserfrequenz (Doppler-Effekt) basierend auf der Geschwindigkeit. Der PIC verarbeitet alle Kanäle gleichzeitig und liefert synchronisierte Geschwindigkeits- oder Verschiebungsdaten.

Wesentliche Vorteile sind:

• Echte Gleichzeitigkeit: Alle 128 oder 65 Punkte werden im selben Moment gemessen, wodurch zeitliche Phasenfehler eliminiert werden.

• Metrologie-Genauigkeit: ~0,1 mm Positionsgenauigkeit. Vergleichbar mit High-End-Laser-Trackern und KMG-Maschinen.

• Kompakt, feldeinsatzfähig: Die PIC-Integration reduziert Systemgröße, Leistungsbedarf und Stückkosten.

• Berührungslos: Keine Sensoren zu montieren, kein zusätzliches Gewicht und keine Veränderungen der natürlichen Bewegung der Struktur.

In Feldversuchen reduziert der Wechsel von scannenden zu parallelen Systemen die Messzeit um über 70 Prozent und verbessert gleichzeitig die Datenqualität.

Bei der Schwingungsprüfung am Boden in der Luft- und Raumfahrt kann der Q1 vollständige Modalschwingungsformen von Flugzeugen in einem Durchgang erfassen, wodurch Beschleunigungsmessernetzwerke entfallen. Ingenieure können gleichzeitig Modaldaten und präzise 3D-Geometrie für die aeroelastische Analyse erhalten.

Die berührungslose Messung von EV-Rahmen und Kohlefaserplatten findet bei Tests der Automobil-NVH (Noise, Vibration, Harshness) und Haltbarkeit Problemfrequenzen, ohne das Verhalten der Teile zu verändern. Ein Hersteller kann die Validierungszeit im Vergleich zu Scansystemen um 70 Prozent reduzieren.

Die Brückenüberwachung kombiniert Verschiebungs- und Schwingungsdaten für die operationale Modalanalyse. Die gleichzeitige Mehrpunktmessung ermöglicht eine präzise Modalkonstruktion von entfernten Positionen aus.

In der industrielle Messtechnik entspricht ~0,1 mm Genauigkeit der Präzision von High-End-KMGs für schwer zugängliche Oberflächen. Das funktioniert mit Koordinatenmessgeräten und Roboterwerkzeugen für vollständige Messworkflows.

Was Lidar in Automotive-Anwendungen leisten kann

Lidar funktioniert ähnlich wie Radar, ist aber hochauflösender. Um so ein System umzusetzen, gibt es verschiedene Ansätze mit unterschiedlichen Lidar-Komponenten. Abhängig von der Anwendung müssen Entwickler die Eigenschaften der einzelnen Lidar-Ansätze beachten.

Vergleichende Fallstudie: Parallel vs. Gescannt

Während einer kürzlichen Luft- und Raumfahrtkampagne ersetzte ein Labor sein gescanntes LDV-Array durch Ommatidias Q2. Das gescannte System erforderte mehrere Durchläufe und wiederholte Anregungen zur Rekonstruktion der Schwingungsformen. Der Q2 erfasste synchronisierte Daten über 65 Kanäle in einem einzigen Test.

Ergebnisse:

• 70 Prozent Reduzierung der gesamten Messzeit

• Vereinfachte Nachbearbeitung ohne Ausrichtung oder Datenzusammenführung

• Verbesserte modale Kohärenz und Datenqualität

PIC-Technologie und automatisierte Strukturüberwachung

Wesentliche Trends, die das Feld prägen, sind PIC-gesteuerte Parallelmessungen, eine breitere Einführung der zerstörungsfreien Schwingungsprüfung in NDT-Workflows und eine zunehmende Abhängigkeit von dichten Punktwolkendaten für die automatisierte Strukturüberwachung.

Teams, die Messwerkzeuge der nächsten Generation evaluieren, sollten die Messdichte an ihre Bedürfnisse anpassen. Parallele Kanäle erfassen detaillierte Daten, wo Scansysteme Informationen zwischen den Punkten übersehen. Weiter sollten sie berührungslose Methoden wählen und das natürliche Strukturverhalten während NVH- und aeroelastischen Tests ohne zusätzliche Sensoren bewahren. Und zuletzt sollten sie PIC-basierte Systeme mit kompakten, einsetzbaren Instrumenten mit geringeren Lebenszykluskosten in Betracht ziehen.

Berührungslose Vibrometrie für Modalanalyse und Strukturprüfung

Für Teams, die sich mit Strukturprüfung, Modalanalyse oder industrieller Messtechnik befassen, wo schnelle Ereignisse, Zeitgenauigkeit oder Mehrpunktedaten wichtig sind, bietet Parallelstrahl-Laser-Radar einen klaren technischen Vorteil. Ommatidia LiDAR entwickelt Messwerkzeuge zur berührungslosen und kompromisslosen Erfassung dichter, wiederholbarer und hochpräziser Daten von komplexen Strukturen. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Ommatidia LiDAR.