Ultra-Breitband Messungen der Auflockerungszone im Salzgestein bis 12 GHz
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- Pamela Breiner
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1 Statusgespräch Geophysik, Leipzig Ultra-Breitband Messungen der Auflockerungszone im Salzgestein bis 12 GHz, J.Sachs Technische Universität Ilmenau, Institut Informationstechnologie, Fachgebiet Elektronische Messtechnik Fachgebiet Elekronische Messtechnik 1/31
2 Inhalt: 1. Motivation und Problemstellung 2. Ultra-Breitband Georadarsystem 3. Ausgewählte Messbeispiele 4. Schlussfolgerungen und Ausblick Fachgebiet Elekronische Messtechnik 2/31
3 1. Motivation und Problemstellung: Motivation: vor dem Bau vom Verschlussbauwerken im Steinsalz: Untersuchung der Tunnel auf Auflockerungen zerstörungsfreie Methoden bevorzugt: z.b. Sonar und Radar Eigenschaften der Methoden: Sonar (IZFP Dresden): Radar (TU Ilmenau): direkte Kopplung ins Medium (+genau, -langsam) Luftspalt = ideal. Reflektor (+empfindlich, -mehrf. Spalte) Kopplung über Luftschnittst. (+schnell, -Überg.-störung) Luftspalt = dielektr. Kontrast (+mehrf. Spalte, -empfindl.) Zielstellung: verlässliches und schnelles Radartool zur Vorerkundung von Tunnelabschnitten Beschränkung auf kreisrunde Maschinenstrecken (einfachere Scans) Fachgebiet Elekronische Messtechnik 3/31
4 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (1): Zusätzliche Positionssensoren Schutzgehäuse Stromversorg. Kontrolleinheit (PC) Fast Ethernet switch Positionier kontroller M-Sequenz Radarmodul Stromversorg. Positioniergerät(e) Stromversorg. Frontend RF-Takt 2. M- Sequenz Modul Frontend Fachgebiet Elekronische Messtechnik 4/31
5 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (2): Klassisches Georadar: Impulsgeneratoren, schnelle AD-Wandler, (z.t. Unterabtastung): Jitterproblem! Üblicherweise 1 Oktave Bandbreite um Mittenfrequenz Bi-statische Messungen mit Herstellerantennen (systemspezifisch) keine vollständige Korrektur systematischer Fehler M-Sequenz UWB Radar: Ultra-Breitbandig, Basisband DC-4GHZ Neu: GHz y () t x() t x t c 0 y () t 2d c 0 x t 2d x( t) t y() t Fachgebiet Elekronische Messtechnik 5/31 t ε r 6 Γ 0.42 Salz d ε r Luft 1 Salz ε r T 6 0.9
6 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (2): Klassisches Georadar: Impulsgeneratoren, schnelle AD-Wandler, (z.t. Unterabtastung): Jitterproblem! Üblicherweise 1 Oktave Bandbreite um Mittenfrequenz Bi-statische Messungen mit Herstellerantennen (systemspezifisch) keine vollständige Korrektur systematischer Fehler M-Sequenz UWB Radar: Bi-statisch mit 2 RX Monostatische Messung möglich 3-Term Kalibrierung Rx 1 M-Sequ. UWB Tx Radar Rx 2 B 1 A B 2 Γ Antennen target, X = B X A Mess- Objekt Fachgebiet Elekronische Messtechnik 6/31
7 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (2): Klassisches Georadar: Impulsgeneratoren, schnelle AD-Wandler, (z.t. Unterabtastung): Jitterproblem! Üblicherweise 1 Oktave Bandbreite um Mittenfrequenz Bi-statische Messungen mit Herstellerantennen (systemspezifisch) keine vollständige Korrektur systematischer Fehler M-Sequenz UWB Radar: Bi-statisch mit 2 RX Monostatische Messung möglich 3-Term Kalibrierung Rx 1 M-Sequ. UWB Tx Radar Rx 2 B A Γ target Antennen = B A Richtkoppler Mess- Objekt Fachgebiet Elekronische Messtechnik 7/31
8 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (3): Neuentwicklungen UWB-M-Sequenz Georadar: Erhöhung der Bandbreite: 1.5GHz - 12GHz (1-2 Sender, 4 Empfänger) 2 HF-Ports: gleichzeitige bi- und monostatische Messungen (4 S-Parameter) Automatisierte, softwaregesteuerte Kalibriermessungen (z.b. zwischen Scans) M-Sequ. Generator Tx M-Sequ. UWB- Empf. Rx 1 Rx 2 Rx 3 Rx 4 Fachgebiet Elekronische Messtechnik 8/31
9 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (3): Neuentwicklungen UWB-M-Sequenz Georadar: Erhöhung der Bandbreite: 1.5GHz - 12GHz (1-2 Sender, 4 Empfänger) 2 HF-Ports: gleichzeitige bi- und monostatische Messungen (4 S-Parameter) Automatisierte, softwaregesteuerte Kalibriermessungen (z.b. zwischen Scans) M-Sequ. Generator Tx M-Sequ. UWB- Empf. Rx 1 Rx 2 Rx 3 Rx 4 4GHz, Basisband Fachgebiet Elekronische Messtechnik 9/31
10 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (3): Neuentwicklungen UWB-M-Sequenz Georadar: Erhöhung der Bandbreite: 1.5GHz - 12GHz (1-2 Sender, 4 Empfänger) 2 HF-Ports: gleichzeitige bi- und monostatische Messungen (4 S-Parameter) Automatisierte, softwaregesteuerte Kalibriermessungen (z.b. zwischen Scans) M-Sequ. Generator Tx 1.5GHz bis >12GHz, UWB abgestimmt auf neue Sende- Tx Hornantennen Frontend M-Sequ. UWB- Empf. Rx 1 Rx 2 Rx 3 Rx 4 Fachgebiet Elekronische Messtechnik 10/31
11 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (3): Neuentwicklungen UWB-M-Sequenz Georadar: Erhöhung der Bandbreite: 1.5GHz - 12GHz (1-2 Sender, 4 Empfänger) 2 HF-Ports: gleichzeitige bi- und monostatische Messungen (4 S-Parameter) Automatisierte, softwaregesteuerte Kalibriermessungen (z.b. zwischen Scans) M-Sequ. Generator M-Sequ. UWB- Empf. Tx Rx 1 Rx 2 Rx 3 Rx 4 UWB Sende- Tx Frontend A A 1 B 1 A 2 B 2 Richtkoppler 1 Richtkoppler 2 Fachgebiet Elekronische Messtechnik 11/31
12 2. Ultra-Breitband Georadarsystem (3): Neuentwicklungen UWB-M-Sequenz Georadar: Erhöhung der Bandbreite: 1.5GHz - 12GHz (1-2 Sender, 4 Empfänger) 2 HF-Ports: gleichzeitige bi- und monostatische Messungen (4 S-Parameter) Automatisierte, softwaregesteuerte Kalibriermessungen (z.b. zwischen Scans) M-Sequ. Generator M-Sequ. UWB- Empf. Tx Rx 1 Rx 2 Rx 3 Rx 4 UWB Sende- Tx Frontend A A 1 B 1 A 2 B 2 Richtkoppler 1 Richtkoppler 2 Kalibrier- Normale Fachgebiet Elekronische Messtechnik 12/31
13 3. Ausgewählte Messbeispiele (1): Voruntersuchungen: Elektromagnetische Wellen breiten sich sehr gut im Steinsalz aus (z.b. nur ca. 20dB/m Dämpfung im Bereich 20-40GHz, Auflockerungszone: 1m) Luftschnittstelle: Unterdrückung Oberflächenreflex ist Herausforderung Kleine Richtantennen, geringer Abstand zur Oberfläche nötig Beispiel 1 Messung Firstenstrecke im Schacht Hattorf: Fachgebiet Elekronische Messtechnik 13/31
14 3. Ausgewählte Messbeispiele (1): Ferne Löser Materialhorizont Naher Löser Firste Fachgebiet Elekronische Messtechnik 14/31
15 3. Ausgewählte Messbeispiele (1): Zusätzliche Strukturdetails (Halbhyperbeln) Fachgebiet Elekronische Messtechnik 15/31
16 3. Ausgewählte Messbeispiele (2): Beispiel 2 Messung Maschinenstrecke im Schacht Bernburg: Tests mit verschiedenen Antennen, Einstrahlwinkeln Messungen an 2 Stellen mit Permeabilitätsdaten (Bohrloch 1 und 2) Gute Ergebnisse: Kombination von Kreuzpolarisation (bi-statisch) und Einstrahlwinkel 90 zur Unterdrückung des Oberflächenreflexes Unterdrückung Antennenübersprechen nötig feste Antennenarrays ermöglichen gute Reproduktion des Übersprechens Flächenscan sinnvoll, um Veränderungen der Auflockerungszone zu verfolgen Fachgebiet Elekronische Messtechnik 16/31
17 3. Ausgewählte Messbeispiele (2): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 17/31
18 3. Ausgewählte Messbeispiele (2): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 18/31
19 3. Ausgewählte Messbeispiele (2): Volumenhafte Artefakte, ggf. Volumenstreuung Volumenhafte Inhomogen. im Firstbereich Fachgebiet Elekronische Messtechnik 19/31
20 3. Ausgewählte Messbeispiele (2): Volumenhafte Artefakte, ggf. Volumenstreuung Oberflächennahe Inhomogen. im Firstbereich Bohrloch- Hyperbel Fachgebiet Elekronische Messtechnik 20/31
21 3. Ausgewählte Messbeispiele (2): Oberflächennahe Inhomogen. im Firstbereich Bohrloch- Hyperbel Fachgebiet Elekronische Messtechnik 21/31
22 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Beispiel 3 Messung Maschinenstrecke im Schacht Sondershausen: Scan einer Fläche (Länge 10m), Nutzung von Antennenarrays Veränderungen der Auflockerungszone feststellbar, Oberflächenreflex störend Antennen-Nachführung für konstante Oberflächendistanz erscheint sinnvoll Fachgebiet Elekronische Messtechnik 22/31
23 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Beispiel 3 Messung Maschinenstrecke im Schacht Sondershausen: Scan einer Fläche (Länge 10m), Nutzung von Antennenarrays Veränderungen der Auflockerungszone feststellbar, Oberflächenreflex störend Antennen-Nachführung für konstante Oberflächendistanz erscheint sinnvoll Fachgebiet Elekronische Messtechnik 23/31
24 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Beispiel 3 Messung Maschinenstrecke im Schacht Sondershausen: Scan einer Fläche (Länge 10m), Nutzung von Antennenarrays Veränderungen der Auflockerungszone feststellbar, Oberflächenreflex störend Antennen-Nachführung für konstante Oberflächendistanz erscheint sinnvoll Fachgebiet Elekronische Messtechnik 24/31
25 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 25/31
26 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 26/31
27 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 27/31
28 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 28/31
29 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 29/31
30 3. Ausgewählte Messbeispiele (3): Fachgebiet Elekronische Messtechnik 30/31
31 4. Schlussfolgerungen und Ausblick: Bisherige Erkenntnisse: M-Sequenz UWB-Radar arbeitet zuverlässig unter Tage Wahl passender, kleiner, Richtantennen Nahbereichsmessung nötig Kalibrierung obligatorisch, da Auflockerungen geringe, eher statistische Veränderungen im Radargramm (Inhomogenitäten) hervorrufen Weitere Arbeiten: Fertigstellung des neuen breitbandigeren UWB Radars inkl. Kalibrierung neue Messkampagnen in Maschinentunneln, Flächenscans Entwicklung eines besseren Detektions- und Darstellungsalgorithmus für Auflockerungen zusammen mit Projektpartnern Vergleich der Ergebnisse mit Sonarmessungen und ggf. Permeabilitätsdaten Fachgebiet Elekronische Messtechnik 31/31
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