DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG

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Matilde Winkler
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DGZfP-Berichtsband 66 CD Plakat 15 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG Fachtagung Bauwerksdiagnose Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 21.-22.

1 DGZfP-Berichtsband 66 CD Plakat 15 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG Fachtagung Bauwerksdiagnose Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen Januar 1999 in der Neuen Messe München Strukturuntersuchungen mit einem FMCW-Radar J. Otto, W. Pannert, Aalen 1. EINLEITUNG Bei der zerstörungsfreien Materialuntersuchung ist der Einsatz von Schallwellen in den verschiedensten Varianten (Laufzeit-, Intensitäts-, Pulsecho- und Durchstrahlungsverfahren) Stand der Technik. Nicht so weit verbreitet ist der Einsatz von elektromagnetischen Mikrowellen zur Untersuchung der inneren Struktur von Bauteilen und Werkstoffen /1/. Elektromagnetische Wellen können in nichtleitende Materialien eindringen. Die Eindringtiefe wird durch die Intensität der Strahlung und die Absorption bzw. Streuung im Material bestimmt. Unstetigkeiten im Materialaufbau (Sprünge der relativen Dielektrizitätskonstanten * ε r ( r) ) führen zu Reflektionen aus dem Inneren des zu untersuchenden Gegenstandes. Ist man an einer Lokalisierung der Unstetigkeitsstellen in allen 3 Raumrichtungen interessiert, so muß man geeignete Verfahren bereitstellen, deren Auflösung (Trennfähigkeit) an die Feinheit der Struktur, die man sichtbar machen will, angepaßt ist. Für eine bildhafte Darstellung der inneren Strukturen eines Werkstücks ist eine möglichst gute räumliche Auflösung in allen Richtungen vorteilhaft. Eine der physikalischen Grenzen der räumlichen Auflösung ist durch die Wellenlänge λ der verwendeten Strahlung gegeben und liegt in der Größenordnung von λ /2. Mikrowellen im Bereich von 1 GHz bis 90 GHz besitzen in Festkörpern Wellenlängen von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern. Für die Auswahl der Wellenlänge muß ein Kompromiss zwischen der Eindringtiefe in das Material und der erreichbaren Auflösung getroffen werden. Für die Untersuchung von Mauerwerk beispielsweise kommen je nach Dicke und Material Frequenzen von 3 GHz bis 24 GHz in Frage. 2. VERWENDUNG REALER APERTUREN Zur Generierung von Auflösungszellen, dem dreidimensionalen Gegenstück zu Pixeln zweidimensionaler Bilddarstellungen, muß der Sensor sowohl in Strahlrichtung als auch quer dazu eine Trennfähigkeit eng benachbarter Objekte besitzen. Die Entfernungsauflösung wird durch die Modulation des Sendesignals erreicht (Puls- oder FMCW-Verfahren, Frequency Modulated Continuous Wave). Dabei ist die erreichbare Auflösung δr, d. h. die Trennfähigkeit zweier benachbarter Objekte, durch die Bandbreite B des Signals gegeben (c = Lichtgeschwindigkeit): δr = c/2 B. (1) DGZfP-Berichtsband 66-CD: Plakat

2 Die Trennfähigkeit in den Richtungen senkrecht zur Antennenachse wird durch die Fokussierung der Strahlung durch die Antenne bestimmt. Der Winkelbereich δα, in dem die abgestrahlte Leistung konzentriert wird, ist umgekehrt proportional zum Antennendurchmesser D, der realen Apertur. Im Fernfeld einer kreisrunden Antenne gilt also: δα = δβ = λ /D. (2) Die Ortsauflösung ergibt sich dann durch die Multiplikation mit der Entfernung R: δx = R δα bzw. δy = R δβ. (3) D δα=λ/d Antenne Bild 1: Abstrahlverhalten realer Antennen Für eine gute Winkelauflösung sind also Antennen mit großer Apertur D notwendig, was zu unhandlich großen Geräten führen kann. 3. MESSUNGEN MIT REALER APERTUR An einem Versuchaufbau, einer mit Quarzsand gefüllten Holzkiste, in der verschiedene Strukturen eingebettet waren (siehe Bild 2), wurden Probemessungen nach dem in Absatz 2 beschriebenen Verfahren durchgeführt Radarsensor R Y Mauer Bild 2: Aufbau der Versuchswand 1 - liegendes 5-Mark-Stück 2 - massiver Metallklotz 3 - luftgefülltes Reagenzglas 4 - luftgefülltes PVC-Rohr 5 - Kalksand-Ziegelsteine Sensorpositionen Bild 3: Geometrie der Datenaufnahme X An jedem Gitterpunkt wurde das Sensorsignal, das tiefenabhängige Informationen über die Reflektionsverhältnisse im Innern der Wand enthält, für die spätere Bildauswertung abgespeichert. In der anschließenden Auswertung wurden die Beträge der Echosignale aus bestimmten Tiefen der Versuchswand zu zweidimensionalen Tiefenschnitten parallel zur Oberfläche zusammengesetzt und als Farb- bzw. Helligkeitswerte grafisch dargestellt. Einige Ergebnisse sind in der Bildfolge 4 zu sehen. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Plakat

Bild 4a: Schnitt aus 1 cm Tiefe Bild 4b: Schnitt aus 5 cm Tiefe Bild 4c: Schnitt aus 8 cm Tiefe In Bild 4a sind der dicht unter Oberfläche liegende Metallklotz (2) als intensive Reflektion (gelb und

3 Bild 4a: Schnitt aus 1 cm Tiefe Bild 4b: Schnitt aus 5 cm Tiefe Bild 4c: Schnitt aus 8 cm Tiefe In Bild 4a sind der dicht unter Oberfläche liegende Metallklotz (2) als intensive Reflektion (gelb und rot) und die nicht exakt parallel zur Oberfläche stehenden Ziegel (5) zu sehen. Das PVC-Leerrohr (4) ist als rötliche Verfärbung im untersten Teil angedeutet. Der wenig reflektierende Rest ist dunkelblau dargestellt. Die Schmalseite des liegenden 5-Mark- Stücks (1) und das PVC-Leerrohr (4) treten in Bild 4b ebenso wie das Reagenzglas (3) dazu, der Metallklotz ist als Abschattung auch in tiefer liegenden Bildern zu sehen. In Bild 4c sind zusätzlich Hohlräume der Ziegelsteine im Ansatz erkennbar. 4. SYNTHETISCHE APERTUR Eine andere gängige Methode zur Erzielung einer hohen Winkelauflösung besteht in der Erzeugung einer "synthetischen Apertur" durch rechnerische Nachverarbeitung der empfangenen Signale. Dieses Verfahren wird vor allem in der Radartechnik zur Erzeugung von Radarbildern der Erdoberfläche eingesetzt und ist dort unter dem Begriff SAR bekannt (Synthetic Aperture Radar /2/, /3/, /4/ und /5/). Voraussetzung hierfür ist ein kohärent arbeitender Sender, der aber im Gegensatz zu den "Real Aperture"-Verfahren nicht stark zu fokussieren braucht und damit klein sein kann. Bei diesem Verfahren werden im Prinzip die Signale aus verschiedenen Positionen des Sensors kohärent aufintegriert. Legt man die Positionen des Sensors äquidistant auf eine Gerade der Länge L, so erhält man nach der SAR-Verarbeitung eine Winkelauflösung in Richtung dieser Geraden von: δα = λ /2L. (4) Man hat also rechnerisch eine Apertur der Länge 2L erzeugt! Die hiermit erzielte Auflösung entspricht der einer realen Antenne mit der Apertur 2L. Die theoretische Grenze für die Ortsauflösung δx = R δα bei diesem Verfahren liegt bei δx = λ/2. Um nun eine Fokussierung in 2 Raumrichtungen zu erzielen, muß der Sensor in einem äquidistanten rechtwinkligen Gitter positioniert werden. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Plakat

Ein Beispiel für die angedachte Aufgabenstellung ist die Untersuchung des Inneren von Beton oder Ziegelwänden. Hierbei wird ein kohärentes Radarmodul mit einer hohen Entfernungsauflösung verwendet.

4 Ein Beispiel für die angedachte Aufgabenstellung ist die Untersuchung des Inneren von Beton oder Ziegelwänden. Hierbei wird ein kohärentes Radarmodul mit einer hohen Entfernungsauflösung verwendet. Die Strahlrichtung ist senkrecht zur Oberfläche gewählt, so daß durch die Entfernungsmessung Tiefenschnitte erzeugt werden. Zur Ermittlung der Tiefe im Material muß mit der Dielektrizitätskonstanten des Materials korrigiert werden. Die zweidimensionale synthetische Apertur wird durch Positionierung des Sensors in einem Gitter in x - und y - Richtung generiert. Nach der Prozessierung der Daten liegt eine dreidimensionale Verteilung der Reflektivität R(x,y,z) des Wandinneren vor. Als Sensor wird ein FMCW-Sensor verwendet, der eine Entfernungsauflösung von δr < 10 cm besitzt. Die Wellenlänge der verwendeten Strahlung beträgt in Luft 52 mm (Mittenfrequenz f = 5.8 GHz), im Festkörper je nach Dielektrizität das 1/ ε r -fache davon. Mit diesen Randbedingungen ist es möglich, Strukturen im Zentimeterbereich aus dem Inneren der Mauer aufzulösen und darzustellen. 5. VERBESSERUNG DER BILD GÜTE DURCH SAR-VERARBEITUNG Die folgenden Bilder zeigen ein mit dem Rechner erzeugtes synthetisches Beispiel, andem die Verbesserung der Trennfähigkeitdurch die SAR-Verarbeitung deutlich zu erkennen ist. Auflösung mit realer Apertur Auflösung mit synthetischer Apertur y-position [Wellenlängen] y-position [Wellenlängen] x-position [Wellenlängen] x-position [Wellenlängen] Bild 5a: Abbild zweier punktförmiger Objekte bei realer Apertur Bild 5b: Bild zweier punktförmiger Objekte bei synthetischer Apertur DGZfP-Berichtsband 66-CD: Plakat

5 In Bild 5a ist die Intensitätsverteilung aufgetragen, die man aus der realen Apertur erhält: die beiden dicht benachbarten Punktobjekte lassen sich in der Praxis nicht trennen, weil sie interferieren und ineinander verschwimmen. In Bild 5b ist dann das Ergebnis der SAR-Verarbeitung zu sehen: die beiden Punktobjekte lassen sich voneinander separieren und werden getrennt sichtbar. Anzumerken ist, daß die SAR-Verarbeitung einen hohen Rechenaufwand erfordert, da bei den gegebenen Randbedingungen für jeden Bildpunkt eine 3-dimensionale Faltung erforderlich ist. 6. LITERATUR /1/ J. Otto: "Radar Applications in Level Measurement, Distance Measurement and Nondestructive Material Testing" 27th European Microwave Conference, Jerusalem, Sept. 1997, p /2/ S. A. Hovanessian: "Introduction to Synthetic Array and Imaging Radar" Artech House 1980 /3/ J. J. Kovaly: "Synthetic Aperture Radar" Artech House 1976 /4/ D. R. Wehner: "High resolution radar" Artech House /5/ M. I. Skolnik: "Introduction to Radar Systems" MacGraw-Hill DGZfP-Berichtsband 66-CD: Plakat

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