Laserscan bei voller Fahrt

Mit Lasersystemen lassen sich hochpräzise und ultraschnelle Messverfahren realisieren. Die Bahnmesstechnik hat hier weltweit großen Bedarf. Eine Voraussetzung für den Einsatz ist, dass niemand durch den Laser geschädigt oder irritiert wird. Dr. Heinrich Höfler und Dipl.-Ing. Harald Wölfelschneider vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg entwickelten zusammen mit ihrem Team einen 3D-Laserscanner.

Er kann ohne Bedenken im Freien eingesetzt werden. Er ist so schnell und präzise, dass er zum Beispiel aus einem Zug, der mit bis zu 100 Stundenkilometern fährt, die Position der Oberleitung oder den Fahrweg räumlich vermessen und überwachen kann. Ist der Scanner stationär aufgestellt, kann er vorbeifahrende Züge erfassen und auf verrutschte Ladungen prüfen.

Heinrich Höfler erklärt, wie das funktioniert: »Wir schicken einen Laserstrahl los und warten, bis er wieder zurückkommt. Die Zeit dazwischen messen wir und wissen dadurch, wie weit ein Gegenstand entfernt ist«. Die Schwierigkeit ist, den zurück-kommenden Strahl zu erfassen. Denn zum einen kommt oft nur sehr wenig Licht zurück und zum anderen ist der ausgesendete Lichtstrahl in extrem kurzer Zeit wieder da. Lösung: Eine Art Zeitlupe. Der Laserstrahl wird sehr schnell ein- und ausgeschaltet – sprich moduliert. Die zeitliche Verschiebung dieser Modulationswelle lässt sich einfacher und präziser bestimmen als bei einem einzelnen Laserpuls.

Hindernisse und Engstellen während der Fahrt erfassen
Das System misst standardmäßig eine Million Mal in der Sekunde. »Für die Deutsche Bundesbahn haben wir einen Messzug ausgestattet, der mit mehreren Laserstrahlen die Umgebung der Bahnstrecke abtastet und mit vier Millionen Messungen pro Sekunde ein 3D-Abbild der Umgebung liefert«, sagt Harald Wölfelschneider. Damit lassen sich auch kleine Hindernisse und Engstellen erkennen, oder planen, auf welchem Weg ein Schwertransport am besten sein Ziel erreichen kann.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist das Vermessen vorbeifahrender Züge. Dafür ist der Scanner fest montiert, was jedoch die Möglichkeit erhöht, dass jemand längere Zeit in den Laserstrahl blickt. Um den Scanner augensicher zu machen, mussten die Forscher einen neuen Wellenlängenbereich erschließen: Infrarot, das für unsere Augen ungefährlich ist. Mit der Konsequenz, das komplette System daraufhin völlig umbauen zu müssen.

Von der Bahntrasse auf die Straße – international im Einsatz
Wenn man Bahntrassen genau unter die Lupe nimmt, liegt es nahe, sich auch andere Verkehrswege anzusehen, zum Beispiel Straßen. Das Team am IPM entwickelte einen augensicheren 3D-Scanner, der an einem fahrenden Auto angebracht ist und aus circa drei Meter Höhe die Straße scannt. »Mittlerweile lösen wir auch bei 80 Stundenkilometern noch Höhenunterschiede von 0,2 Millimetern auf der Straße auf«, so Höfler. Es ist der erste Scanner, der von der Bundesanstalt für Straßenwesen dafür zugelassen ist. Er soll Spurrillen, Schlaglöcher und Wasserabfluss-Möglichkeiten erkennen.

Das Lasersystem wird bereits erfolgreich vermarktet und international zur Sicherung des Schienenverkehrs eingesetzt, denn es ist nicht nur schnell und exakt, sondern auch sehr robust. Für den augensicheren 3D-Laserscanner werden Dr. Heinrich Höfler und Dipl.-Ing. Harald Wölfelschneider mit einem der Joseph-von-Fraunhofer-Preise 2012 ausgezeichnet.