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Themen für Studien- und Diplomarbeiten
Radar-Tomographie -
ein elektronisches Auge
macht Verborgenes sichtbar
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Die Visualisierung und Kontrolle verborgener
Objekte im Bau- und Umweltbereich ist eine Aufgabe mit enormer
volkswirtschaftlicher Bedeutung. Die Anwendungen reichen von der Suche nach vergrabenen Rohrleitungen über die nachträgliche Kontrolle von Bauausführungen bis hin zur Untersuchung
von Mülldeponien und der Analyse von Fassaden, Dachkonstruktionen sowie den Tragwerken von
Brücken.
| Wie ist es möglich, durch undurchsichtige Stoffe "sehen"
zu können? Sehen hat immer etwas mit der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen
Wellen und der stofflichen Umgebung zu tun. Im biologischen Fall werden elektromagnetische
Wellen mit einer Wellenlänge von 300 ... 700 nm (Licht) verwendet. Wie wir aus der
Erfahrung wissen, können diese Wellen aber durch die meisten Stoffe (außer Glas und
Wasser) nicht hindurchdringen. Somit sind in irgendwelchen Materialien eingebettete
Objekte für den Menschen unsichtbar. |
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Doch nicht alle Stoffe sind bei allen Frequenzen
"undurchsichtig". Bei Frequenzen weit oberhalb der Lichtfrequenz werden die
Stoffe mehr oder weniger transparent. Ausgenutzt wird dieses Verhalten in den
Röntgengeräten für Medizin und Werkstoffprüfung. Außer bei Metallen trifft man aber
auch auf eine Transparenz der Materialien bei wesentlich niedrigeren Frequenzen (bis zu
einigen GHz).
Um die Erfassung, Bearbeitung und Interpretation solcher mittels
elektromagnetischer Wellen (Frequenzbereich 100 MHz bis 6 GHz) erzeugter Bilder geht es
bei den folgenden Themen. Das Prinzip der "elektromagnetischen
"Bildaufnahme" ist sehr einfach. Es wird eine kurze elektromagnetische
Welle ausgesandt, indem z.B. ein Impuls auf eine Antenne gegeben wird. Diese Welle dringt
in das zu untersuchende Gebiet ein und wird reflektiert, wenn sich dort ein Hindernis
befindet.
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Die zur Antenne zurücklaufende Welle wird wieder
erfasst und aus
ihrer Laufzeit kann auf die Lage des verborgenen Objektes geschlossen werden. Damit man
ein vollständiges Bild von den verborgenen Objekten bekommen kann, muss die Antenne über
das gesamte Testarial geführt werden und die auf diese Weise erzeugten Daten sind
geeignet zu verarbeiten. Ergebnis ist ein zwei- oder dreidimensionales Abbild des
verdeckten Objektes in Form von Radargrammen. |
Einige Fotos zeigen praktische Einsatzfelder der
Radar-Tomographie und unserer Imaging Radar-Versuchsanlage:
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In der Anlage dient ein üblicher Netzwerkanalysator als
"Radargerät", dessen Messwerte mittels Fouriertransformation in den Zeitbereich
umgerechnet werden. Auf diese Weise kann ein Impulsradar simuliert werden. |
| Armierungseisen, Hohlräume, feuchte Stellen im Bauwerk, vergrabene
Rohre, der Straßenzustand und viele andere Dinge lassen sich mit einem Radar detektieren,
überwachen, profilaktisch reparieren oder produktiver herstellen. Im Vergleich zu
Ultraschallverfahren wird dabei kein direkter Kontakt zum Messobjekt benötigt. |
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Bei einem jährlichen Bauvolumen von ca. 68 Mrd. DM (1995/96) in der
BRD und einem Baubestand von mehreren Billionen Mark läßt sich der wirtschaftliche
Nutzen kaum abschätzen, den eine einfach handhabbare und zerstörungsfreie
Untersuchungsmethode bringen könnte. |
Die Bearbeitung der im folgenden aufgeführten Themen ist im Zusammenhang mit der
Kooperation von MEODAT mit der TU
Ilmenau, FG EMT zu sehen.
| Thema
E1: |
Breitbandantennen für die Radar-Tomographie |
| Damit eine hohe Ortsauflösung beim
Radarverfahren erzielt werden kann, müssen die Antennen in der Lage sein, sehr
breitbandige Signale in das Testobjekt einzukoppeln. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung
solcher Antennen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit für verschiedene Materialien und
Aufgabenstellungen. Es sind die technologischen Möglichkeiten ihrer Herstellung zu
prüfen und exemplarisch zu erproben. Die Messungen erfolgen in der Radar-Imaging-Anlage.
Für die Auswertung der Messdaten steht MATLAB zur Verfügung. Die Betreuung der Arbeit
erfolgt gemeinsam durch die Fachgebiete Mikroperipherik und Elektronische Messtechnik. |
| Thema E2: |
Positionierung von Radarantennen |
| Neben der elektronischen Erfassung der von den Antennen
ausgesendeten und empfangenen Messimpulse muß bei praktischem Einsatz auch die aktuelle
Antennenposition für jede einzelne Messung bekannt sein. Eine Möglichkeit der
Positionsbestimmung der Antenne innerhalb eines Testsarials besteht darin, daß ausgehend
von zwei Fixpunkten die Entfernung zu den Antennen über einfache geometrische Beziehungen
bestimmt wird. Die Aufgabe besteht darin, über eine einfache Schaltung zwei
Entfernungssensoren mit einem Radargerät und einem PC zu verkoppeln und die notwendige
Software (unter Lab-Windows, MATLAB) zu implementieren. |
| Thema
E3: |
Image-Processing für Radar-Tomographie |
| Wird mit einem Radargerät die Oberfläche
eines Testgebietes abgerastert, entsteht ein dreidimensionales Datenvolumen
(Radarvolumen). Diese Daten charakterisieren den Zustand bzw. den verborgenen, inneren
Aufbau des Testgebietes. Zur Unterdrückung von Störungen (Clutter) und zur Hervorhebung
der gesuchten Objekte müssen die Messdaten einer digitalen Signal- und Bildverarbeitung
unterzogen werden. Eine Literaturstudie soll Aufschluss über die dafür bekannten
Verfahren und Algorithmen liefern. An Beispielprogrammen sind ausgewählte Methoden zu
demonstrieren. Die dafür notwendigen Daten können aus Simulationen einfacher Szenarien
oder aus Messungen mit der Imaging-Radar-Anlage stammen. Als Simulationswerkzeug dient
MATLAB einschließlich seiner Toolboxen (z.B. Image Processing, Signal Processing ...). |
| Thema E4: |
Kalman-Filterung von Radardaten |
| Vielfach besitzt man bestimmte Vorkenntnisse (a priori
Wissen) vom gesuchten Objekt. Ziel dieser Arbeit ist, dieses Wissen gezielt für die
Auswertung von Radardaten zu verwenden. Damit soll erreicht werden, dass auch noch
sinnvolle Ergebnisse aus Radaraufnahmen gewonnen werden können, wenn die klassischen
Auswertemethoden bereits versagen. A priori Wissen in der hier angesprochenen
Art besteht z.B. darin, dass man davon ausgehen kann, daß sich die Dicke der
Asphaltschichten einer Straße kaum abrupt ändern wird oder daß eine Rohrleitung im
wesentlichen seine Richtung und Tiefe beibehält. Eine Möglichkeit der Einbeziehung von
gewissen Kenntnissen über das Messobjekt ist die Kalman-Filterung. Eine Filtermethode,
die in der Regelungstechnik, bei der Objektverfolgung und ähnlichen Dingen eine breite
Anwendung findet. Mit der Arbeit soll dieses Verfahren auch der Auswertung von
Radargrammen zugänglich gemacht werden. |
| Thema E5: |
Radar-Imaging von Gebäudeteilen |
| Mit Hilfe unserer Imaging-Radar-Anlage sollen an
Modellen von Gebäudeteilen (z.B.: Wandaufbau, Dachaufbau) typische Radarbilder
erfasst
werden. Durch den gezielten Einbau von Konstruktionsfehlern, fehlerhaften Materialien,
Durchfeuchtungen usw. ist zu überprüfen, inwieweit mit dem Radarverfahren solche Defekte
nachweisbar sind. Die Messungen erfolgen vollautomatisch. Zur Darstellung der
dreidimensionalen Radardaten soll MATLAB verwendet werden. |
| Thema E6: |
Simulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in
Baustoffen |
| Zum besseren Verständnis der Ausbreitung von
elektromagnetischen Wellen in Bauwerksteilen ist es zweckmäßig, ihr Verhalten an
modellhaften Anordnungen zu studieren. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen und
Erfahrungen sollte es dann möglich sein, reale Messungen besser interpretieren zu
können. |
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