ROBIN Lite vogelradar ontwikkeling ten bate van maritieme monitoring van vogeltrek A.J.M. Borst (TNO)
(We@Sea project 2005-22)
1 / 23
TNO-rapport
Eindrapportage WE@SEA projecten ROBIN Lite vogelradar ontwikkeling ten bate van maritieme monitoring van vogeltrek
Datum Version Auteur(s) Exemplaarnummer Oplage Aantal pagina's Aantal bijlagen Opdrachtgever Projectnaam
Projectnummer
23 september 2010 2.0 Ir. A. J.M. Borst
23 WE@SEA/TNO 1. projectvoorstel "Ontwikkeling van een Iowcost en sea-clutter resistant maritieme radar ten behoeve van de monitoring van vogels en andere toepassingen bij offshore windmolenparken 2. Doorontwikkeling van een lowcost en sea-clutter resistant maritieme radar ten behoeve van de monitoring van vogels en andere toepassingen bij offshore windmolenparken WE@SEA projectnummers: 2005-022 + 2006-013 TNO projectnummers: 015.35126 + 032.11223
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, foto-kopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onder-zoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belang-hebbenden is toegestaan. © 2008 TNO
2 / 23
Samenvatting
De grootschalige ontwikkeling van offshore windmolen parken biedt een nieuw perspectief voor de inzet van vogelradar. Radar heeft de potentie één van de belangrijkste hulpmiddelen te worden bij het continue offshore monitoren van vogelvliegbewegingen. Niet alleen is radarobservatie onafhankelijk van visuele condities, bovendien zijn hiermee op een willekeurig moment alle vogelbewegingen in een groot gebied, zowel op lage als op grotere hoogte te registreren en elektronisch vast te leggen. Naast deze kansen zijn er ook een aantal specifieke uitdagingen die horen bij het offshore karakter. De belangrijkste zijn daarbij de slechtere bereikbaarheid van de systemen voor onderhoud en bediening, de effecten van ruis ten gevolge van golfslag en de uitdagingen om grote hoeveelheden data over grotere afstanden te verplaatsen. In het kader van het WE@SEA programma is daarom door TNO de ontwikkeling van de ROBIN Lite vogelradar ter hand genomen. Met deze vogelradar zal de registratie van vogelbewegingen rond offshore windmolenparken vormgegeven kunnen worden. In zijn huidige vorm bestaat het ROBIN Lite systeem uit twee radars, waarbij een horizontaal roterende scheepsradar gebruikt wordt voor het registreren van horizontale vliegbewegingen en een door TNO flexibel roteerbaar radar gebruikt wordt voor het verkrijgen van zowel hoogte informatie als vleugelslag frequenties. Beide systemen zijn geïntegreerd en de verkregen data, wordt na een geavanceerde filterprocedure opgeslagen in remote toegankelijke databases. Tijdens de ontwikkelingen in het kader van het WE@SEA programma is veel aandacht besteed aan het sea-clutter bestendig maken van het systeem. En hoewel de voorziene filter techniek veelbelovend leek, is vooral de benodigde rekencapaciteit een serieuze hindernis voor het operationeel en dus real-time inzetten van deze techniek. Gezien de noodzaak voor de ontwikkeling van een operationeel sea-clutter bestendig systeem is een alternatieve aanpak ontwikkeld. Gezien de grote belangstelling van de markt voor het ROBIN Lite product heeft TNO de verdere ontwikkeling ter hand genomen in een recent opgerichte spin-off van TNO, Robin Radar Systems.
3 / 23
Abstract
In order to prevent bird strikes, radar has been used by the military for decades to monitor bird movements. And although these radars have been proven to be effective in tracking thousands of birds simultaneously, widespread use of bird radars has been hindered by the prohibitive costs and specialized character of these military radars. However, recent developments have led to the construction of radar systems based upon common and affordable maritime radars. With the development of these low cost systems, bird radar has become within the reach of a much larger community including stakeholders within areas of civil aviation, impact and risk assessment and bird migration research. Within these application areas, the rapid growth of large scale offshore wind farms has created an emerging interest in the deployment of bird radar for risk and impact assessments within or near these farms. However, deploying these systems in an offshore environment create many challenges including the need for unmanned operation, remote control, transfer of large amounts of data and wave generated noise that affects radar detection of birds in adverse weather conditions. As partner in the WE@SEA program, TNO aims at contributing to this emerging field by the development of a low-cost bird radar system. This system, ROBIN Lite, combines many years of experience in developing and deploying radar for bird strike prevention with modern and affordable radar systems. The current system consists of horizontal S-band maritime radar that is capable of tracking birds up to many kilometers. Connected to this horizontal system is a proprietary TNO design of a pan-tilt radar system providing height and wing beat frequency information of tracked birds. This combination of horizontal and pan-tilt radars creates a system that is capable of tracking birds in three dimensions with a solid basis towards species-recognition. The main aim of the WE@SEA bird radar research is to develop a sea-clutter resistant system suitable for offshore deployment. Sea clutter is the noise generated in the radar signal due to radar reflections of sea waves. This noise severely hampers the detection of birds in an offshore environment. To address this challenge an advanced filtering approach, named DEKODO, has been employed to suppress sea clutter and improve detection capabilities. This filter, originally developed to detect small surface vehicles at high sea states, is capable of detecting and predicating wave fronts and can use this information to improve signal to noise ratios. Data for testing this filter has been collected at two sites, one at the Pier of Scheveningen and one at the Oosterschelde. Using this data it has been demonstrated that suppression of sea clutter is successful, however the severe performance requirements of the filter has become a serious threat for real-time deployment. After extensive testing and performance improvements alternative for DEKODO has been studied. One promising solution, still subject of current research, combines both wave front tracking and advanced classification algorithms to distinguish bird tracks from wave front tracks. Using previous recorded data is has been shown that wave front tracking is possible without performance degradation. Offshore deployment of bird radar requires high levels of automation, remote control and data transfer capabilities. During extensive testing at both a wind farm in Dresden and a site at a military airport in Woensdrecht the ROBIN Lite did perform well. It supports continuous unmanned operation, supports long distance mass data transfer using WiFi, ADSL and SATCOM links and allows a high level of remote control. Remote includes the ability to start and stop the
4 / 23
system from a remote location, configure the system and provide full database access. One aspect still under development is the ability to restart the radar themselves, which under normal circumstances requires an operator to manually operate a switch on the radar systems. Given the broad and international market interest in the Robin Lite system, TNO has decided to spin-off the further development and marketing in a recent startup called Robin Radar Systems.
5 / 23
Verklarende woordenlijst Zeegang
Zeegang is een door de wind gegenereerd golfpatroon aan het wateroppervlak op zee of op de oceaan. Zeegang wordt uitgedrukt op een schaal van 0 tot 9 waarbij 0 een Vlakke zee betreft zonder deining en zeegang 9 een zeer hoge, wilde zee met een dooreenlopende deining.
Mulitpath
Multipath is een fenomeen waar bij radiosignalen via meerdere paden de ontvanger bereiken. Typische oorzaken zijn onder andere tunneling effecten en reflecties via wateroppervlakte of gebouwen en Bergen. “Bij radar kan “multipath” leiden to zo genaamde “ghost targets”
FMCW
In dit report wordt met Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar een door TNO ontworpen en ontwikkeld solid state radar met een laag vermogen waardoor het continue aanstralen van objecten veilig is.
Clutter
Clutter of ruis komt in radar processing in meerdere vormen voor. Meest belangrijke zijn ruisbronnen ten gevolge van grond reflecties, ruis ten gevolge van golfslag, ruis veroorzaakt door meteorologische omstandigheden zoals sneeuw en regen en ruis veroorzaakt door bewegende objecten zoals windturbines.
DEKODO
DEKODO (Detectie Kleine Oppervlakte Doelen met Radar) is een door TNO ontwikkeld filter specifiek bedoeld voor het onderdrukken van ruis in radar signaal ten gevolge van golfslag
6 / 23
Inhoudsopgave
Samenvatting/Abstract.................................................................................................................................... 2 Verklarende woordenlijst ............................................................................................................................... 5 Inhoudsopgave ................................................................................................................................................. 6 1 1.1 1.2
Inleiding........................................................................................................................................... 7 Achtergrond...................................................................................................................................... 7 Doelstellingen................................................................................................................................... 8
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3
ROBIN Lite Systeem ontwikkeling ............................................................................................. 10 ROBIN Lite ontwerpeisen .............................................................................................................. 10 ROBIN Lite systeem layout ........................................................................................................... 10 ROBIN Lite horizontale radar ........................................................................................................ 11 ROBIN Lite verticale radar ............................................................................................................ 12 ROBIN Lite performance ............................................................................................................... 13 ROBIN Lite registratie ................................................................................................................... 13 ROBIN Lite automatisering, opslag en visualisatie ....................................................................... 14 Remote control en data transfer...................................................................................................... 14 Databaseopslag............................................................................................................................... 15 Datavisualisatie .............................................................................................................................. 15 ROBIN Lite overige functionaliteiten ............................................................................................ 19 Soortherkenning ............................................................................................................................. 19 Seaclutter ........................................................................................................................................ 20 overige functionaliteiten ................................................................................................................. 21
3
Conclusies en toekomstige ontwikkelingen ................................................................................ 22
7 / 23
1
Inleiding
1.1
Achtergrond De komende twee decennia zijn er een groot aantal offshore windmolenparken gepland op de Noordzee. Het is voorzien dat deze windmolenparken een significant aandeel van de productie van elektrische energie in Nederland zullen gaan leveren. De effecten van te plaatsen en geplaatste offshore windmolenparken op milieu en ecologie staan echter altijd in de spotlights. Projectontwikkelaars zijn dan ook altijd verplicht met een EIA (Environmental Impact Assessment) / MER (Milieu Effect Rapportage) de gevolgen van de bouw en exploratie van offshore windmolenparken te kwantificeren en bovendien aan te geven hoe potentieel negatieve effecten op het milieu zullen worden tenietgedaan of zullen worden gereduceerd. Een belangrijk deel van MER’s voor offshore windparken is gewijd aan de gevolgen voor de avifauna. Niet alleen moet worden aangegeven wat de effecten zijn op lokaal verblijvende vogels (aanvaringsslachtoffers, habitat–verlies, barrièrewerking), ook de gevolgen op de vogeltrek zijn zeer belangrijk (aanvaringsslachtoffers, invloed op trekroutes). Tot nu toe is het bepalen van deze effecten bijzonder moeilijk gebleken, uiteraard een gevolg van het feit dat het monitoren van vogels en vogeltrek op zee bijzonder bewerkelijk is. Dit is een resultante van de grote benodigde logistieke inspanningen (transport/verblijf ter plaatse/etc.) en de specifieke problemen bij observatie van vooral nachtelijke vogelvliegbewegingen boven zee. Het monitoren van vogels is een belangrijk onderwerp voor MER bij de bouw van offshore windmolenparken. Door offshore karakter is het op het zee observeren van vogels met standaard methodieken een arbeidsintensief en kostbaar proces. De inzet van radar biedt hierbij een mogelijke uitkomst voor het continue en arbeidsextensieve monitoren. En hoewel er al radar gebaseerde vogel observatie systemen op de markt bestaan, stelt het offshore karakter bijzonder eisen aan deze systemen. Voorbeelden hiervan zijn de noodzaak tot volledig op afstand controleerbare systemen, transfer van grote hoeveelheden gegevens over grotere afstanden, reflecties ten gevolge van golfslag, soortherkenning, etc. In het kader van het WE@SEA programma is daarom door TNO de ontwikkeling van de ROBIN Lite vogelradar ter hand genomen. Deze vogelradar moest de registratie van vogeltrek rond offshore windmolenparken kunnen vormgeven. Uitgangspunt is dat de ROBIN Lite vogelradar op afstand van een onbemand offshore windmolenpark te bedienen moet zijn, waarbij de resulterende vogeltrekgegevens naar de wal worden gestuurd.
8 / 23
1.2
Doelstellingen Radar heeft de potentie één van de belangrijkste hulpmiddelen te worden bij het continue offshore monitoren van vogelvliegbewegingen. Niet alleen is radarobservatie onafhankelijk van visuele condities (nacht, mist, etc.), bovendien zijn hiermee op een willekeurig moment alle vogelbewegingen in een groot gebied, zowel op lage als op grotere hoogte te registreren en elektronisch vast te leggen. Door vergaande automatisering kunnen vliegrichtingen, snelheden, dichtheden etc. gekwantificeerd worden. Om het vogeltrekgedrag rond windmolenparken in zee goed te kunnen beschrijven zijn (radar)systemen benodigd met een bereik wat voldoende is om het windmolenpark en de directe omgeving te bestrijken. Dit leidt ertoe dat de range van een vogelradar minimaal vele kilometers zal dienen te bedragen. De momenteel beschikbare vogelradars die gebaseerd zijn op maritieme (scheeps-) radars hebben een detectiebereik die boven land onder ideale omstandigheden inderdaad kilometers kan bedragen. Boven zee is het detectiebereik echter veelal kleiner door reflecties van golven. Bij een normale golfhoogte in vakjargon aangeduid met “sea state” of zeegang, wordt als gevolg van de reflecties van de golven een detectiebereik behaald dat zelden groter is dan 1 kilometer. Deze zal zelfs vaak kleiner zijn dan 500 meter. Om in en rond een windturbinepark een studieoppervlak van voldoende omvang te hebben is dit aan de lage kant. Binnen TNO waren de mogelijkheden aanwezig om een relatief low cost vogelradar te ontwikkelen die wel de vereiste gevoeligheid en bereik bezit. Bovendien zal deze radar door vergaande automatisering van de dataverwerking veel minder manuren kosten voor de dataverwerking in vergelijking met bestaande systemen. Het is daarmee dan ook een ideale tool voor continue observatie van vogeltrekgedrag rond een windmolenpark. Deze TNO vogelradar is in de basis de combinatie van een maritieme scheepsradar en Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar (dat door TNO ook op andere gebieden wordt ingezet) met het al beschikbare DEKODO (Detectie Kleine Oppervlakte Doelen met Radar) seaclutter-filter en de ROBIN vogel detectie algoritmes. Naast filtering voor seaclutter was filtering voor de reflecties van de rotors van windmolens voorzien. Omdat dit soort radarreflecties bijzonder voorspelbaar zijn is deze laatst genoemde filtering echter relatief eenvoudig.
9 / 23
De ROBIN software is gedurende de afgelopen 20 jaar door TNO ontwikkeld voor de Koninklijke Luchtmacht (KLu) en ander Europese luchtmachten. Gebaseerd op radardata van de 2 luchtverkeersleidingradars van de KLu is de ROBIN software in staat om boven geheel Nederland alle vogeltrek te registreren en deze vogeltrekdata te visualiseren. Dit proces is volledig geautomatiseerd. Tienduizenden tracks (vogeltrekbewegingen) worden tegelijkertijd gevolgd en kunnen simultaan worden gevisualiseerd. Door de integratie van bovenstaande modules wordt een vogelradar gevormd die en een adequate gevoeligheid heeft en minimale bedieningsinspanningen vergt en goedkoop in aanschaf zal zijn.
10 / 23
2
ROBIN Lite Systeem ontwikkeling
2.1
ROBIN Lite ontwerpeisen In het voortraject zijn diverse gesprekken gevoerd met gebruikers als biologen/ ornithologen gevoerd over de specificaties die voor het ROBIN Lite van toepassing zouden moeten zijn. Uiteindelijk zijn de volgende minimale ontwerpeisen vastgelegd: Performance • Bereik: min 4km voor een middelgrote vogel (bij seastate 2) • Hoogtebereik: vanaf zeeniveau tot min. 2000m (uitvalshoek min. 18º) Registratie • Registratie 2D vliegpad van vogels • Registratie 2D verticaal (voor vlieghoogte en flux) • Registratie 3D locatie (vliegpad+hoogte) • Registratie van aantallen en fluxen van vogels Automatisering, opslag en visualisatie • 24/7 continu operationeel • remote control en data access • Automatische dataverwerking en opslag van de vogeltrek gegevens in een database omgeving • Automatische datatransfer naar de wal • Visualisatie van vogeltrek • Toepassing van GIS informatie Overige functionaliteiten • Vogelsoortherkenning • Seaclutter filtering • Additionele filters voor regen, land en rotor reflecties • Low cost
2.2
ROBIN Lite systeem layout Gebaseerd op de eisen/wensen van de gebruikers was systeemconfiguratie te ontwikkelen gebaseerd op 2 radars: voor vogelinformatie waren zowel een horizontale radar als een horizontale radar registreert vogeltrek in het horizontale vlak. hoogte-informatie aan toe.
het noodzakelijk om een het kunnen verkrijgen van 3D verticale radar benodigd. De De verticale radar voegt hier
11 / 23
Figuur 1: Schematische weergave van het ROBIN Lite systeem bestaande uit een horizontal roterende S-band radar en vrij roteerbaar (pan-tilt) FMCW radar.
In totaal zijn er twee sets ROBIN Lite ontwikkeld. Eén set staat standaard op het dak van het TNO laboratorium in Den Haag. De tweede set is beschikbaar voor testdoeleinden in het veld.
2.3
ROBIN Lite horizontale radar Voor de horizontale radar kan in principe iedere willekeurige maritieme (scheeps) radar in de frequentie gebieden X-band en S-Band worden toegepast. Aan de radar hardware zelf waren beperkte wijzigingen noodzakelijk. In verband met de kwaliteit van de antenna en de nauwkeurigheid van de antenna patronen is gekozen voor radars van het merk Furuno. In eerste instantie is gekozen voor een X-Band Furuno radar. Deze is beter dan een S-Band radar in staat om kleinere vogels (zangvogels) te detecteren. Aan de andere kant is deze gevoeliger voor weersinvloeden als regen en sneeuw en heeft deze een iets geringer bereik. Belangrijker is echter de elektronica benodigd om de radarsignalen te kunnen opnemen en te verwerken tot vogelinformatie. Aangezien de radarreflectie van vogels vaak nauwelijks hoger is dan de systeemruis van de radar zijn de eisen die te stellen zijn aan de data-acquisitie dusdanig dat deze elektronica niet als Commercial of the Shelf (COTS) hardware op de markt te verkrijgen is. Daarom is op ontwerp van TNO de data-acquisitie elektronica ontwikkeld door Chess embedded Technology BV uit Haarlem, een gespecialiseerd elektronica ontwikkel bedrijf. De elektronica is dusdanig generiek ontwikkeld dat ook andere radars dan die van Furuno gekoppeld kunnen worden aan ROBIN Lite.
12 / 23
Figuur 2:ROBIN Lite horizontale radar in testopstelling bij windmolenpark bij Dresden
2.4
ROBIN Lite verticale radar Door de wens van gebruikers om hoogte te kunnen bepalen en daarbij soortherkenning mogelijk te maken was de inzet van een gekantelde (horizontale) scheepsradar niet mogelijk. Een scheepsradar zendt een relatief hoog vermogen (maximaal 25kW) uit in pulsen. Voor soortherkenning van vogels is het noodzakelijk om de vogel continu te ‘belichten’. De radar mag daarbij dus niet snel roteren en moet de vogel blijven ‘tracken’. Bij een scheepsradar is dit echter uit veiligheidsoogpunt verboden. Als dit type radar stopt met roteren wordt dan ook automatisch het versturen van de radarpulsen gestopt. Een radartechnologie die wel het continu aanstralen van vogels op één locatie mogelijk maakt is de Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) technologie. Hierbij worden niet radarpulsen uitgezonden, maar wordt er continu uitgezonden. Als gevolg hiervan is het niet meer mogelijk om één antenna zowel als zend en ontvangst antenna te laten functioneren. Er is dus altijd sprake van een zendantenne en een ontvangstantenne, zoals uit onderstaande afbeeldingen blijkt. Naast de wijze van zenden is ook de wijze van signaal generatie anders bij een FMCW radar. De FMCW radar is een zgn. solid state radar. Een solid state radar is intrinsiek minder onderhoudsgevoelig dan een standaard pulse radar (dat gebruik maakt van een meer conventionele magnetron i.p.v. de integrated circuits in een solid state radar) Tijdens de metingen is gebleken dat vogels gedetecteerd werden tot ongeveer 3km. Initieel is gebruik gemaakt van een zendvermogen van 25mW voor de FMCW radar. Dit vermogen is opgevoerd tot ongeveer 500mW waarmee de gevoeligheid van deze radar is verbeterd.
13 / 23
Figuur 3. ROBIN Lite verticale radar
2.5
ROBIN Lite performance Het vaststellen van de exacte prestaties, waaronder het bepalen van het horizontale en verticale bereik, van een system als ROBIN is lastig. De uiteindelijke bereikte prestaties met het systeem zijn afhankelijk van vele en complexe factoren, De maximale detectie afstand bijvoorbeeld is, naast het vermogen, afhankelijk van positie van de radar, ground clutter, type en omvang van de vogels, positie van de vogel in de radarbundel, weersomstandigheden, ect. Onderstaande tabel geeft het bereik weer van ROBIN in min of meer optimale omstandigheden: droog weer, vrij zicht en geen bijzondere propagatie omstandigheden. Maximale detectie afstand is hierbij gedefinieerd als de afstand waarop een die haaks op de radar bundel vliegt nog betrouwbaar gedetecteerd kan worden.
Maximum range (m)
Pulse X-Band
Pulse S-Band
FMCW
Klein (spreeuw) Middel (duif) Groot (gans)
800 2500 4500
1000 3500 7000
500 1500 2500
De maximale hoogte tot waarop vogels gedetecteerd kunnen worden met een horizontaal radar is een functie van horizontaal bereik en kanteling van de radar (het ROBIN systeem kent twee standen: een hoek van 10 en een hoek van 20 graden). Om uiteindelijk de actuele hoogte te bepalen is een verticaal opgestelde radar nodig.
2.6
ROBIN Lite registratie Het ROBIN Lite systeem kent een aantal mogelijkheden voor het registeren van vliegpaden. Naast de standaard tracking in 2D met de horizontale radar is in combinatie met de FMWC radar het mogelijk om vogels in 3D te volgen. In de zogenaamde “staring mode”, waarbij de FMCW radar stil staat en in een vaste richting straalt, levert de FMCW radar hoogte en vleugelslag informatie
14 / 23
van vogels door de bundel vliegen. In de zogenaamde “scanning mode”, waarbij het radar een opgegeven gebied scant, wordt hoogte informatie verzameld van vogels in de gescande sector. In de zogenaamde “tracking mode”, eigenlijk een voortdurend bijgestuurde combinatie van staring en scanning modes, wordt het FMCW radar door de horizontale radar (of door een gebruiker) naar een specifieke vogeltrack gestuurd om daarvan zowel hoogte als vleugelslag frequenties te bepalen.
Figuur 4. Een voorbeeld van hoe het ruwe radarsignaal omgezet wordt in individuele tracks die naast de opslag in de database ook gebruikt kunnen worden voor real-time gegevens zoals gemiddelde vliegrichting.
2.7
ROBIN Lite automatisering, opslag en visualisatie
2.7.1
Remote control en data transfer Een belangrijk aspect van de ontwikkeling ROBIN Lite is het remote kunnen bedienen van het systeem. Dit is dan ook geïmplementeerd en getest bij trials bij een windmolenpark in Dresden en op het vliegveld van Woensdrecht. Hierbij bleek het systeem weken te kunnen draaien zonder problemen, waarbij continue de data naar Den Haag werd verzonden. Datatransfer is generiek opgezet en gebaseerd op TCP/IP Wide Arena Networks (TCP/IP WAN). Dit is op meerdere wijzen mogelijk, implementaties zijn getest op SATCOM, Wifi en ADSL verbindingen.
Figuur 5. Mobiele inzet ROBIN Lite
15 / 23
2.7.2
Databaseopslag Vogelinformatie in de vorm van vogeltracks met alle bijbehorende informatie over de vogels betreffende positie, snelheid, richting, reflectiedichtheid, etc. in databaseformaat, zie figuur hieronder, worden opgeslagen. Dit is mogelijk voor alle gangbare databases zoals MS-Acces, MySQL, PostGreSQL, etc. Door de wijze van opslag kunnen alle track gegevens inclusief gegevens over de objecten, filter instellingen, ect via eenvoudige SQL-queries opgevraagd worden voor visualisatie en/of analyse.
Figuur 6. Voorbeeld van de structuur en relaties tussen een aantal database tabellen die gebruikt worden om track informatie in op te slaan
2.7.3
Datavisualisatie Gebaseerd op de gebruikerswensen is het mogelijk om ROBIN Lite op diverse wijzen te visualiseren. Zo is het mogelijk om radarbeelden als ruwe data op te slaan. Dit houdt in dat altijd alle brongegevens nog beschikbaar blijven voor hernieuwde processing. Nadeel hiervan is dat de
16 / 23
hoeveelheid data explosief groeit en al snel tegen beperkingen aanloopt qua dataopslag en verzending over een datalijn (gelimiteerde bandbreedte datalijn). Dit wordt dan ook slechts voor ontwikkeldoeleinden toegepast. Verder kunnen radarbeelden als ‘streaming video’ worden opgeslagen. Dit biedt de mogelijkheden om de brondata nog steeds manueel en visueel te beoordelen. In de volgende afbeelding is hiervan een momentopname weergegeven.
Figuur 7.Momentopname van ROBIN Lite radar streaming video: windmolenpark Dresden
17 / 23
Figuur 8.Voorbeeld van hoe cumulatieve aantallen tracks en dominante vliegrichting real-time weergegeven kunnen worden met behulp van de ROBIN software
De meest gebruiksvriendelijke methode van datavisualisatie is het gebruik van de in de database opgeslagen synthetische data. Dat houdt in dat gebaseerd op database queries de van belang zijnde vogeltracks kunnen worden geselecteerd en gevisualiseerd gebruik makende van een GIS (Geografische Informatie Systeem), waarbij een verbeterd inzicht wordt verkregen van de vogelbewegingen. Een voorbeeld hiervan is de display van de vogeltrekdata in Google Earth.
18 / 23
Figuur 9. Migratie patroon boven vliegveld Woensdrecht semi-realtime weergeven in Google-Earth.
Naast 2D grafische weergave mogelijkheden is er ook de mogelijkheid om via een web server toegang te krijgen tot de database. Een van de voorbeelden hiervan is de Robin Remote Viewer, zie onderstaande figuur, die gebruikers in staat stelt van een specifieke periode grafieken te tonen met daarin informatie als het totaal aantal tracks in die periode, ruisniveaus, het voorkomen van regen, etcetera. Deze informatie is vooral erg nuttig bij het configureren en plannen van specifieke registratie sessies omdat met deze gegevens de gebruikers snel een inzicht kan krijgen wanneer specifieke events optreden zoals een plotselinge toename van het aantal tracks bij ochtend en avond migratie. Naast dat dit nuttig is in de voorbereiding, helpt deze informatie de gebruiker om snel specifieke perioden te selecteren uit de database voor nadere analyse.
19 / 23
Figuur 10. Voorbeeld grafiek uit de Robin remote dataviewer waarbij gegevens zoals ruisniveau, correctieniveaus, filter resultaten en track informatie in een standaard browser kunnen worden weergeven
2.8
ROBIN Lite overige functionaliteiten
2.8.1
Soortherkenning Tijdens het volgen van een vogel met de verticale radar wordt een continu veranderend reflectiepatroon geregistreerd. Met behulp van Fast-Fourier analyse is hieruit de vleugelslagfrequentie te bepalen. Het vleugelslagpatroon samen met de vleugelslagfrequentie is een indicatie van de vogelsoort. Vogelsoortherkenning is nog in ontwikkeling. Op dit moment kan de FMCW radar van geselecteerde tracks deze patronen en frequenties registeren en opslaan voor verdere verwerking. De volgende stap is nu het opbouwen van een database met referentie patronen en de algoritmes voor classificatie.
20 / 23
Figuur 11. Screenshot van een opname gemaakt met de FMCW radar. Bovenste panel toont de tracks van vogels die door de radar bundel vliegen. Onderste panel toont de bijbehorende radar reflectie patroon (verschillende kleuren zijn de verschillende tracks)
2.8.2
Seaclutter Het DEKODO seaclutter-filter is geïntegreerd in ROBIN Lite. Naast de vele testen op de TNO locatie den Haag zijn een aantal specifieke testen uitgevoerd om de gewenste ROBIN prestaties en functionaliteit te beproeven. Gezien de logistieke uitdagingen die een trial op open zee met zich mee zouden brengen is gekozen om de seaclutter relateerde testen uit te voeren vanaf de kust. Daarbij is onderkend dat de kustzone op zichzelf ook weer specifieke eigenschappen met zich meebrengt zoals het effect van branding. Om de waarde en de effectiviteit van het DEKODO filter te beoordelen zijn er tot nu toe twee registratiesessies uitgevoerd. De eerste was een registratiesessie bij de havenmonding van Scheveningen met windkracht 7 en golfhoogten van ca 3 à 4 meter. Het DEKODO filter bleek seaclutter inderdaad sterk te filteren, maar aangezien er door de weersomstandigheden geen vliegende vogels aanwezig waren, was het niet mogelijk om te beoordelen of de vogels niet door het DEKODO filter werden uitgefilterd. De tweede registratiesessie is uitgevoerd bij het windmolenpark Roggeplaat in Zeeland. Hierbij was er echter nauwelijks sprake van wind (windkracht 1) en golven. Vogels werden tot enige kilometers op zee gedetecteerd, zelfs op lage hoogten (0.5m). Na inzet van het DEKODO filter bleven deze vogels nog steeds zichtbaar in ROBIN Lite. Dit is echter ook geen representatieve registratie om DEKODO te kunnen beoordelen. Hoewel beide registratiesessie niet de gewenste combinatie van veel vogels en sterke seaclutter op hebben geleverd is op basis van uitvoerige testen met deze datasets vooralsnog besloten dat DEKODO nog niet voldoet aan de gestelde eisen. De conclusie is gebaseerd op het feit in het
21 / 23
bijzonder de benodigde rekencapaciteit een serieuze beperking is voor het real-time gebruik. Voor deze problemen zijn meerdere oplossingen gezocht waarbij een verbeterde normalisatie methode en het gebruik van “tiles” (filteren van een klein deel van het beeld) de belangrijkste zijn. Gezien de voorziene beperkingen van het DEKODO filter is gezocht naar een alternatieve methode waarbij er een combinatie gemaakt wordt van een aangepast regenfilter dat de kleinere golven uit kan filteren terwijl voor de grotere golven een speciale tracker is ontwikkeld die individuele golven kan herkennen en daarmee kan onderscheiden van vogel tracks. De eerste testen van een gemodificeerd regenfilter met een radaropstelling in den Helder zijn veelbelovend, terwijl testen van de speciale tracker met behulp van in Scheveningen opgenomen data heeft aangetoond dat de tracker inderdaad in staat is individuele golven te tracken en daarbij geen performance problemen heeft laten zien. 2.8.3
overige functionaliteiten Ruisonderdrukking is een belangrijke voorwaarde voor het goed en betrouwbaar detecteren van vogels. Om de gevoeligheid van het ROBIN Lite systeem goed te kunnen testen is een eerste verkenning gemaakt van het gebruik van vogels (duiven) uitgerust met GPS loggers. Het met deze metingen verkregen referentie signaal biedt de mogelijkheid om alle opeenvolgende stappen in de data-acquisitie en databewerking (detectie, filtering, tracking en opslag) af te zetten tegen een referentie meting met GPS.
Figuur 12 Illustratie behorend bij een trial met GPS loggers. Links de met GPS-logger uitgeruste duif, midden toont het opgenomen GPS pad inclusief clutter map en de rechter figuur geeft een indruk van het GPS-pad (blauw) met de door de radar gedetecteerde reflecties (rood). Groene segmenten zijn gebieden waar sterke clutter optreedt.
22 / 23
3
Conclusies en toekomstige ontwikkelingen Het project is zeker niet zonder slag of stoot verlopen. Door o.a. op te lossen interferentieproblemen moest er een tussentijds herontwerp worden uitgevoerd. Dit heeft er toe geleid dat de doorlooptijd en beschikbare budget danig werden overschreden. Tussentijds is er een uitbreiding van het project geweest, waarbij zowel WE@SEA als TNO additionele budgetten ter beschikking stelde. Gezien het belang dat TNO hecht aan de volledige operationalisering van ROBIN Lite en de nationale en internationale interesse voor een dergelijk systeem heeft TNO besloten om de uitontwikkeling van ROBIN Lite op eigen kosten te voltooien. ROBIN Lite zal daarbij, naast de meer traditionele militaire en civiele vliegveiligheidmarkt, ook ingezet worden bij zowel land gebaseerde als offshore windmolenparken en behoeftes op het gebied van biologische monitoring een bredere context zoals migratiestudies, habitatgebruik, ectetera. Het WE@SEA programmabureau gaat ermee akkoord dat al een eindrapportage van de WE@SEA projecten wordt opgesteld, terwijl de ontwikkeling van ROBIN Lite nog verder vorm wordt gegeven. Wat dit betreft is deze ‘eindrapportage’ een tussentijdse update en momentopname van de ontwikkeling van de ROBIN Lite vogelradar. Op dit moment is de ROBIN Lite ontwikkeling ter hand genomen in een spinoff van TNO, Robin Radar Systems. Naast aan de aandacht voor een gedegen markpositionering wordt op dit moment gewerkt aan het verder operationaliseren van het ROBIN Lite product. Naast de offshore inzet van de systemen is daarbij veel aandacht voor het onder andere het operationeel maken van soortherkenning, verdere uitwerking van oplossingen voor seaclutter en het maximaliseren van het bereik van de radar.
Figuur 13. Inzet ROBIN Lite op vliegveld Woensdrecht ten bate van een validatie studie
23 / 23
