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Masterarbeit: Upward-looking UWB-Radar zur Messung der Schneehöhe

Lawinenüberwachung von morgen versteckt sich unter dem Schnee

Wird Lawinengefahr früh erkannt, lassen sich Sachschäden vermeiden oder gar Leben retten. In vielen Bergregionen sind daher Radarsysteme zur Beobachtung installiert. Im Rahmen seiner Masterarbeit hat Basil Brunner eine neue Messmethode zur Bestimmung der Schneehöhe entwickelt.

Während des Winters kommt es in Bergregionen immer wieder zu Lawinenabgängen, die zu grossen Personen-, Umwelt- und Sachschäden führen können. Die Einschätzung der Lawinengefahr ist ohne Messdaten aus gefährdeten Hängen oftmals ungenau. Mit der Einführung von modernen Radarsystemen können heute gefährdete Bereiche überwacht und im Notfall Sperrungen und Evakuierungen innerhalb weniger Sekunden ausgelöst werden. Die Geopraevent AG setzt solche Überwachungssysteme unter anderem in Norwegen, Italien und in der Schweiz ein.

Perspektivenwechsel für das Messsystem

An der ZHAW School of Engineering wird unter der Leitung von Roland Küng eine der Radar-Technologien für die Geopraevent AG weiterentwickelt. Im Rahmen seiner Masterarbeit im Fachgebiet Information and Communication Technologies (ICT) hat sich Basil Brunner mit der Machbarkeit einer neuen Messmethode zur Bestimmung der Schneehöhe und der Entwicklung eines dazugehörigen Prototyps befasst. «Im Gegensatz zu bisherigen Radarsystemen, die die Beschaffenheit der Schneedecke und die Schneehöhe von oben herab messen, wird das Upward-looking UWB-Radar im Boden versenkt», erklärt Basil Brunner. Für sein Messgerät nutzte er ein Ultra-Wideband (UWB) Impulsradar, das normalerweise für die Überwachung von Lebensfunktionen von Menschen genutzt wird. Dieses UWB-Radar sendet Radarwellen mit einer Impulsdauer von wenigen Nanosekunden aus, die an Hindernissen – beispielsweise einer Eisschicht in der Schneedecke – reflektiert werden. Die Distanz bis zum Hindernis wird aus der Laufzeit des Echos berechnet. So können Strukturunterschiede in der Schneedecke erfasst und analysiert werden. Das Messsystem besteht aus drei einzelnen Radarmodulen, deren Signale erst separat ausgewertet und danach mit einem Algorithmus zusammengefasst werden. Dadurch können ungewollte Störechos durch Reflexionen am Gestein und der Messvorrichtung detektiert und ausgeblendet werden.

«Bisher hängen die Messsysteme an Masten und erfassen die Schneehöhe von oben. Das Upward-looking UWB-Radar wechselt die Perspektive und misst die Schneedecke von unten.»

Basil Brunner

Zuverlässige Daten auch nach Lawinen

Die neue Messmethode bietet einige Vorteile. Die UWB-Radarmodule sind sehr kostengünstig und benötigen wenig Energie, so dass ein Batteriebetrieb einen Winter lang gut möglich ist. Mit dem leichten und kompakten Gerät ist die Installation wesentlich einfacher. Anstatt schwere und grosse Messmasten aufstellen zu müssen, kann das Upward-looking UWB-Radar im Boden vergraben werden. Dies schützt ausserdem vor Vereisung, Sturmwinden und Steinschlag. Im Falle eines Lawinenabgangs kann der Schnee das System nicht mitreissen, weshalb im Nachgang einer Lawine weiterhin Daten erfasst werden können.

Weiterentwicklung für die Zukunft

Die Masterarbeit hat Basil Brunner am Institute for Signal Processing and Wireless Communications (ISC) geschrieben, das den Entwicklungsauftrag von der Geopraevent AG bekam. «Ich wollte mich schon seit längerem mit Radarsystemen beschäftigen. Mit der Arbeit hatte ich die Möglichkeit, das Interesse in ein konkretes Gerät umzusetzen», sagt Basil Brunner. Nachdem er zuerst die Funktionsweise des UWB-Impulsradars detailliert untersucht hatte, entwickelte er im Labor einen Simulationsaufbau zur Verifikation der Messmethode. Abschliessend hat Basil Brunner am Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF) in Davos erfolgreich getestet, ob der entwickelte Prototyp den Unterschied zwischen Schnee und Luft erkennt. «Trockener Neuschnee verhält sich für Radarwellen sehr ähnlich wie Luft», erklärt Basil Brunner. Die Daten aus einem ersten Feldversuch der Geopraevent AG machten dann deutlich, dass bei der Verwendung von nur einem UWB-Radarmodul zu viele Störungen durch Signalreflexionen die Bestimmung der Schneehöhe behindern. In einem verbesserten Prototyp hat Basil Brunner deshalb drei Module miteinander kombiniert. Am ISC wird das Upward-looking UWB-Radar nun weiterentwickelt, um künftig die Menschen in Bergregionen zuverlässig vor Lawinen warnen zu können.