Projekt 12640/01

Dreidimensionale Aufnahme von Aerosolverteilungen

Projektdurchführung

Technische Fachhochschule WildauFB Physikalische Technik
Friedrich-Engels-Str. 63
15745 Wildau

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kenntnis der regionalen und globalen Verteilung des Aerosols ist eine Grundvoraussetzung für die Möglichkeit der Modellierung des globalen Klimaantriebs durch das Aerosol und seiner Auswirkung auf die Oxi-dationskapazität der Atmosphäre. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines mobilen Messgerätes, das nach einem holographischen Verfahren dreidimensionale Momentaufnahmen der Partikelverteilung in schneller Folge und damit Untersuchungen zur Partikeldynamik gestattet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung besteht aus der Kombination der Teilbereiche Holographie und Bildverarbeitung. Der Aufbau des Systems erfolgt in vier Teilschritten. Im ersten Arbeitsschritt wird der mechanische, optische und elektronische Aufbau des Systems realisiert. Dazu gehören die Auswahl und Abstimmung der optischen Komponenten, Aufbau und Erprobung des holographischen Teils sowie der Aufbau des mechanischen Systems. Am Ende dieses ersten Teilschrittes erfolgt die Anpassung von elektronischen Komponenten der Bildverarbeitungseinheit an die Holographieeinheit. Der zweite Teilschritt, der zeitlich weitgehend parallel zum ersten Arbeitsschritt durchgeführt wird, beinhaltet die Optimierung des CCD-Systems (Kamera und Objektiv) auf verschiedene Volumina sowie die Optimierung des Framegrabbers auf hohe Abtastfrequenzen unter dem Aspekt der Untersuchung zur Partikeldynamik. Inhalt des zweiten Teilschrittes ist weiterhin die Entwicklung von speziellen Rekonstruktionsalgorithmen sowie deren Programmierung. Dieser Teilschritt wird mit der Erprobung und Optimierung des Bildverarbeitungssystems abgeschlossen. Die Arbeiten zu den ersten beiden Arbeitsschritten erstrecken sich über die ersten beiden Jahre des Projektes. Im anschließenden dritten Teilschritt werden die in den beiden vorangehenden Schritten erstellten Teilsysteme zum Gesamtsystem optimiert. Die Optimierung erfolgt unter dem Gesichtspunkt der Miniaturisierung des Systems für den Feldeinsatz, speziell bei der hohen Bildaufnahmefrequenz des Systems für insitu-Messungen in Flugzeugen unter möglichst naturnahen Bedingungen. Die Optimierung der Teilentwicklungen zum Gesamtsystem sowie dessen Miniaturisierung und die parallel dazu verlaufende Endfertigung werden teilweise zeitlich überlappend mit dem Ende der beiden ersten Teilschritte durchgeführt. Es ist dafür ein Zeitraum von 6 Monaten vorgesehen. Die Erprobung des Systems erfolgt in den letzten 3 Monaten des Projektzeitraums.


Ergebnisse und Diskussion

Die Entwicklung des digitalen holographischen Aerosolanalysesystems zeigte die großen Vorteile gegenüber konventionellen holographischen Analyseverfahren auf. Der Zeitbedarf der Hologrammerstellung zur Partikelanalyse konnte um etwa einen Faktor 20 reduziert werden. Die Leistungsfähigkeit des digitalen Systems ist durch das vergleichsweise schwache Auflösungsvermögen der CCD-Sensoren momentan noch eingeschränkt. Durch den Einsatz von Adaptionsoptiken konnte diese Einschränkung allerdings bis zu einem gewissen Maße korrigiert werden. Bedingt durch optische Vergrößerung wird das Messvolumen in seinen Abmessungen verkleinert. Mit dem digital-holographischen Analyseverfahren sind für die derzeit verfügbaren CCD-Sensoren Messvolumen mit etwa 1 mm³ Größe aufzuzeichnen. Dafür sind die Aufzeichnungsintervalle zwischen den Hologrammen auf ?t=1s zu verkürzen (abhängig von max. Pulsrate des Rubinlasers). Die Ausrichtung von Laser und Kameraeinheit auf eine gemeinsame optische Achse ist Bedingung für eine fehlerfreie Aufzeichnung der Hologramme. Die Analyse der Hologramme wird in einem Computer automatisch durchgeführt. Spezielle Filteralgorithmen analysieren anschließend das re-konstruierte Volumen auf eingeschlossene Aerosolpartikel und werten das Messvolumen aus. Mit einer speziell entwickelten Software sind die Partikel in ihrer relativen Lage zueinander in einem dreidimensionalen Raum auf dem Monitor darzustellen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Projektes wurden mehrere Diplomthemen und eine Promotion bearbeitet (TFH Wildau, FHO Emden).
Das Verfahren und die Ergebnisse wurden in Fachzeitschriften publiziert und auf Fachtagungen vorgestellt; weitere Veröffentlichungen sind geplant.
Es ist weiterhin vorgesehen, die Ergebnisse des Projektes in der mittelständischen Praxis zu implementieren und das System für die 3-dimensionale Aufnahme von Aerosolverteilungen bei zukünftigen wissenschaftlichen Arbeiten zum Aerosol-Monitoring einzusetzen.


Fazit

Das neuentwickelte digitale Messverfahren, basierend auf dem Prinzip der Fraunhofer-In-Line-Holographie, bietet entscheidende Vorteile hinsichtlich des Zeitaufwandes und des Ausrüstungsbedarfes sowohl für die holographische Speicherung als auch für die Rekonstruktion der Hologramme und deren Auswertung hinsichtlich der räumlichen Verteilung und der Größenverteilung der gespeicherten Aerosole.
Die technische Entwicklung dieses Digital Holographischen Analysesystems ist abgeschlossen. Die Entwicklung neuer CCD-Sensoren mit größerer Anzahl von Pixeln und kleineren Pixelabmessungen ist für diese Technologie von großer Bedeutung und wird es ermöglichen, einerseits größere Messvolumina aufzuzeichnen und gleichzeitig kleinere Teilchen auswerten zu können.
Neben dem hier erprobten Einsatz in der atmosphärischen Wolkendiagnostik kann das System für die unterschiedlichen Aufgabenstellungen verwendet werden, z. B. in der Pollenanalyse oder bei industriellen Untersuchungen von Lackier- und Sprühnebeln, bei Einspritzvorgängen und der Analyse von Rußpartikeln in Abgasen.