DE19927216C1 - Verfahren zur Strukturuntersuchung eines Mediums durch Radar - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Strukturuntersuchung eines Mediums, insbesondere von Beton, durch Radar offenbart. Hierzu wird eine monostatische oder bistatische Dipolantenne verwendet, die die Radarimpulse aussendet und empfängt. Um die für in Bezug auf das Verhältnis von Amplitude und Dauer optimale Empfangsimpulse in kurzer Entfernung von der Dipolantenne (Nahfeld) geeignete Antennenlänge zu bestimmen, wird zunächst die Antennenlänge bestimmt, die in Bezug auf das Verhältnis von Amplitude und Dauer angenähert optimale Empfangsimpulse für eine unendliche Entfernung von der Dipolantenne (Fernfeld) ergibt. Diese Bestimmung erfolgt nach der Bezeichnung DOLLAR F1 wobei l die Länge der Dipolantenne, Ð die Dauer des eingespeisten Impulses und v die Ausbreitungsgeschwindigkeit des abgestrahlten Impulses im zu untersuchenden Medium darstellen. DOLLAR A Dann erfolgt die Bestimmung der Antennenlänge für das Nahfeld vorzugsweise durch Versuchsberechnungen oder -messungen, bei denen die Antennenlänge, ausgehend von der Länge für das Fernfeld, jeweils schrittweise verkürzt wird. DOLLAR A Der Abstand d zwischen der Dipolantenne und einem auf der dem zu untersuchenden Medium entgegengesetzten Seite angeordneten Reflektor wird vorzugsweise dadurch bestimmt, daß, ausgehend von einem durch die Beziehung DOLLAR F2 ermittelten Abstand für das Fernfeld, der optimale Abstand für eine Untersuchung im Nahfeld durch Versuchsberechnungen oder -messungen der elektrischen Feldstärke, bei denen der Abstand ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Im Göttel, R., Mönich, G., Maierhofer, Ch.: Signal simulation and antenna design for the application of radar to concrete structures, 1. International Radar Symposium, München 1998, wird ein Verfahren zur zer­ störungsfreien Strukturuntersuchung eines Mediums durch Radar mittels Verwendung einer Dipolantenne be­ schrieben, bei dem die Länge l der Dipolantenne hin­ sichtlich einer möglichst großen Amplitude und einer möglichst kurzen Dauer der durch Überlagerung der in der Antennenmitte und an den Antennenenden abge­ strahlten elektromagnetischen Wellen, erhaltenen Ra­ darimpulse für einen in großer Entfernung (Fernfeld) von der Sendeantenne angeordneten Untersuchungsbe­ reich gemäß der folgenden Formel bestimmt wird:

Hierin bedeuten τ die Dauer des eingespeisten Impul­ ses und v die Ausbreitungsgeschwindigkeit des abge­ strahlten Impulses im zu untersuchenden Medium.

Der zu untersuchende Bereich eines Mediums, bei­ spielsweise eines Betonkörpers, befindet sich jedoch gewöhnlich relativ nahe der Sendeantenne, z. B. in ei­ ner Entfernung von 10-25 cm. Auch in einem derarti­ gen Nahfeld der Antenne soll das durch Überlagerung erhaltene Nutzsignal in seiner zeitlichen Dauer mini­ mal und in seiner Amplitude maximal sein. In diesem Bereich (im folgenden auch "Fokus" genannt) sollen sich die elektromagnetischen Wellen im Sinne dieser Forderung optimal überlagern. Eine Dipolantenne mit einer nach der obigen Formel erhaltenen Antennenlänge ist für eine derartige Überlagerung im Nahfeld jedoch weniger geeignet.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Strukturuntersu­ chung eines Mediums durch Radar mittels Verwendung einer monostatischen oder bistatischen Dipolantenne, welche Radarimpulse aussendet und empfängt, anzuge­ ben, mit dem die Antennenlänge so bestimmt werden kann, daß sich in einem im Nahfeld liegenden vorgege­ benen Fokus die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen zu einem Impuls mit einer möglichst hohen Am­ plitude und einer möglichst kurzen Dauer überlagern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß ausge­ hend von einer durch die Beziehung

wobei l die Länge der Dipolantenne, τ die Dauer des eingespeisten Impulses und v die Ausbreitungsge­ schwindigkeit des abgestrahlten Impulses im zu unter­ suchenden Medium darstellen, bestimmten Länge der Di­ polantenne für eine unendliche Entfernung des Unter­ suchungsbereichs von der Dipolantenne eine Bestimmung der Länge der Dipolantenne für in Bezug auf das Ver­ hältnis von Amplitude und Dauer optimale Empfangsim­ pulse bei einer vorgegebenen Entfernung des Untersu­ chungsbereichs von der Dipolantenne durchgeführt wird, indem durch Versuchsberechnungen oder -messungen der elektrischen Feldstärke im Untersuchungsbereich, bei denen die Länge der Dipolantenne ausgehend von der Länge für die unendliche Entfernung jeweils schritt­ weise verkürzt wird, erfolgen. Hierbei werden die je­ weils erhaltenen Ergebnisse für Impulsamplitude und -dauer miteinander verglichen und dann diejenige An­ tennenlänge bestimmt, die für den jeweiligen Untersu­ chungszweck als in Bezug auf das gegenseitige Ver­ hältnis von Amplitude und Dauer optimal angesehen wird. Eine Verkürzung der Dipolantenne ausgehend von der für das Fernfeld bestimmten Länge hat für das Nahfeld die Wirkung, daß sowohl die Amplitude als auch die Dauer des im Fokus durch Überlagerung erhal­ tenen Impulses abnehmen. Jedoch nimmt die Impulsdauer proportional mit der Verkürzung der Antennenlänge ab, während die Amplitude mit zunehmender Verkürzung zu­ nächst kaum merkbar und erst nach erheblicher Verkür­ zung deutlich absinkt.

Die genannte Wirkung, d. h. die anfänglich deutlich stärkere Abnahme der Impulsdauer gegenüber der Im­ pulsamplitude, ist noch ausgeprägter, wenn die die Dipolantenne speisenden Impulse nichtlineare Flanken mit zunehmender Steilheit aufweisen.

Wenn im Abstand und parallel zur Dipolantenne auf der dem zu untersuchenden Medium entgegengesetzten Seite ein Reflektor für die ausgesandten Radarimpulse vor­ gesehen ist, wird das abgestrahlte Signal gespiegelt und durch Überlagerung der direkt abgestrahlten und der reflektierten Impulse kann die Amplitude der Nutzsignale erheblich vergrößert werden. Für eine op­ timale Überlagerung muß der Abstand zwischen der Sen­ deantenne und dem Reflektor geeignet eingestellt wer­ den.

Bei herkömmlichen Radarantennen kommt es an der Halb­ raumgrenze Luft/Medium zu Reflexionen, die zu einer unnötigen Verlängerung der Gesamtsignaldauer führen. Deshalb ist der Raum zwischen Dipolantenne und Re­ flektor vorzugsweise mit einem verlustarmen Material gefüllt, dessen Dielektrizitätszahl möglichst den gleichen Wert wie das zu untersuchende Medium auf­ weist. Hierdurch werden die Reflexionen an der Hal­ braumgrenze Luft/Medium vermieden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bistati­ schen Bow-Tie-Antenne in der Draufsicht,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Antenne nach Fig. 1,

Fig. 3 den berechneten transienten elektrischen Feldverlauf in Luft in einer Entfernung von 100 m von einer Dipolantenne mit einer Länge von 90 cm,

Fig. 4 den Fig. 3 entsprechenden Feldverlauf, jedoch bei einer Dipolantenne von 30 cm Länge,

Fig. 5 den Verlauf eines in eine Dipolantenne einge­ speisten Impulses und

Fig. 6 die berechneten Empfangssignale bei einem Ab­ stand von 15 cm von der mit dem Impuls nach Fig. 5 gespeisten Dipolantenne für zwei un­ terschiedliche Antennenlängen.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Dipolantenne ist eine Breitbandantenne vom Typ einer Bow-Tie-Antenne. Diese Dipolantenne ist eine bistatische Antenne mit einer Sendeantenne 1 und einer hierzu parallelen Emp­ fangsantenne 2. Diese bestehen jeweils aus zwei spitz aufeinander zu laufenden Metallflügeln 1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2., die jeweils an den einander zugewandten Enden mit einem elektrischen Leiter 3 bzw. 4 für die Speisung bzw. Signalableitung versehen sind.

Die gezeigte Dipolantenne ist für die zerstörungs­ freie Untersuchung von Beton vorgesehen, beispiels­ weise für die Ortung von schlaffer Bewehrung, die Or­ tung von Spannkanälen hinter schlaffer Bewehrung, die Dickenmessung nur einseitig zugänglicher Betonteile oder die Ortung von Hohlstellen und Verdichtungsmän­ geln.

Um die Dipolantenne beim Anlegen an das zu untersu­ chende Betonteil vor Beschädigungen zu schützen, ist sie auf ihrer freiliegenden Seite mit einer dünnen dielektrischen Platte 5 aus einem Material mit einer Permittivität (Dielektrizitätszahl), die möglichst den gleichen Wert wie die des Betons hat, abgedeckt.

Im Abstand von den Antennen 1 und 2 und parallel zu diesen befindet sich ein metallischer Reflektor 6, der zur Abschirmung des Raums hinter dem Reflektor einerseits und zur Verstärkung der abgestrahlten Im­ pulssignale in der gewünschten Strahlrichtung durch geeignete Überlagerung der direkt abgestrahlten und der am Reflektor 6 reflektierten Signale andererseits dient. Eine signalverstärkende Überlagerung findet insbesondere dann statt, wenn der Abstand d zwischen den Antennen 1 und 2 einerseits und dem Reflektor 6 nach folgender Beziehung bestimmt wird:

wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit des abge­ strahlten Impulses im zu untersuchenden Medium dar­ stellt.

Der so bestimmte Abstand ist optimal für das Fern­ feld. Für Untersuchungen im Nahfeld erfolgt für eine vorgegebene Entfernung von der Dipolantenne die Be­ stimmung des Abstands für in Bezug auf das Verhältnis von Amplitude und Dauer optimale Empfangsimpulse durch Versuchsberechnungen oder -messungen der Feld­ stärke im Untersuchungsbereich, bei denen der Abstand ausgehend von dem für das Fernfeld bestimmten Abstand jeweils schrittweise verkürzt wurde.

Der Zwischenraum zwischen den Antennen 1 und 2 und dem Reflektor 6 ist mit einem verlustarmen Material 7 gefüllt, dessen Permittivität (Dielektrizitätszahl) möglichst den gleichen Wert wie der zu untersuchende Beton aufweisen sollte. Es bietet sich daher an, für das Material 7 Beton zu verwenden. Wenn hier, wie bisher, Luft oder Polystyrol-Schaumstoff (Styropor) verwendet würde, wird an der Grenzfläche zum unter­ suchten Beton aufgrund des Sprunges in der Dielektri­ zitätszahl (Impedanzsprung) ein Teil des Signals re­ flektiert. Auch wären in einem solchen Fall die An­ tennenbaulänge und damit die abgestrahlte Frequenz für den Betrieb in Luft optimiert. Wenn dann die An­ tenne mit dem zu untersuchenden Medium, das eine hö­ here Permittivität als Luft hat, in Kontakt gebracht wird, werden elektromagnetische Wellen mit einer deutlich niedrigeren Frequenz abgestrahlt als vom Hersteller angegeben wurde.

Wie Fig. 2 zeigt, werden die mit den Antennenflügeln 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 verbundenen elektrischen Leiter 3, 4 durch das Material 7 und den Reflektor 6 hin­ durchgeführt.

Die Ursachen für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen beruhen auf der Existenz von Unstetigkeits­ stellen in der Antennenstruktur und von reflektieren­ den Flächen. Dies führt zu einem ersten abgestrahlten Impuls beim Eintreten einer Leitungswelle aus dem Zu­ führungsleiter in die Antenne. Bei verlustlosen Dipo­ len wird zusätzlich bei der Reflexion der auf der An­ tenne laufenden Wellen an den Dipolenden sowie beim Wiedereintritt der reflektierten Welle in den Zufüh­ rungsleiter jeweils ein Signalimpuls abgestrahlt. Die zeitlichen Differenzen zwischen diesen Abstrahlungen hängen hierbei von der Antennenlänge l ab. Die Ge­ samtdauer eines abgestrahlten Feldstärkeimpulses be­ trägt (l/v) + τ, wobei τ die Dauer des den Dipol spei­ senden Stromimpulses und v die Ausbreitungsgeschwin­ digkeit der elektromagnetischen Wellen im jeweiligen Medium darstellen. Die Fig. 3 und 4 zeigen beispiel­ haft diesen Sachverhalt für einen eingespeisten si­ nusförmigen Stromimpuls mit der Dauer von 1 ns. In diesen Figuren ist der rechnerisch ermittelte transi­ ente Feldverlauf in einer Entfernung von 100 m (Fern­ feld) von der Dipolantenne in Luft in der H-Ebene ei­ nerseits für eine Antennenlänge von 90 cm (Fig. 3) und andererseits für eine Antennenlänge von 30 cm (Fig. 4) wiedergegeben. Die H-Ebene ist die senkrecht zur Antenne stehende, durch deren Mitte in Längsrich­ tung verlaufende Ebene, in welcher die von den beiden Antennenenden abgestrahlten Wellen gleichzeitig ein­ treffen und einander überlagern.

Der in Fig. 3 gezeigte Feldstärkeimpuls besteht aus drei Teilen, nämlich der beim Eintreten eines Stro­ mimpulses in die Antenne abgestrahlten Welle, den beiden an den Antennenenden abgestrahlten Wellen (welche sich überlagern, da sie gleichzeitig am un­ tersuchten Ort eintreffen) und der bei Wiedereintritt des reflektierten Impulses in den Leiter abgestrahl­ ten Welle. Aufgrund der Länge der Dipolantenne von 90 cm sind diese Teile zeitlich voneinander getrennt, so daß die Gesamtimpulsdauer relativ groß ist und die maximale Amplitude nur den zweifachen Wert des einge­ speisten Impulses erreicht.

Wie Fig. 4 zeigt, hat die dort verwendete Dipolanten­ ne eine günstigere Länge, da der am untersuchten Ort auftretende Feldstärkeverlauf durch konstruktive Überlagerung der drei Teile eine Amplitude aufweist, die dem Dreifachen des eingespeisten Impulses ent­ spricht und auch die Impulsdauer erheblich verkürzt wurde. Diese Antennenlänge von 30 cm wurde anhand der eingangs genannten Formel ermittelt, bei der davon ausgegangen wird, daß die sich überlagernden Impul­ steile phasengleich sind. Eine weitere Verkürzung der Antennenlänge führt zu einer weiteren Abnahme der Im­ pulsdauer bei am Anfang noch konstanter Amplitude, dann aber zu einer deutlichen Reduzierung der Ampli­ tude, so daß im Verhältnis von Amplitude und Dauer optimale Empfangsimpulse bei größeren Entfernungen von der Dipolantenne bei etwas kürzeren als durch die genannte Formel bestimmten Antennenlängen erhalten werden.

Die vorbezeichnete Formel zur Bestimmung der Anten­ nenlänge ist vorzugsweise für größere Entfernungen von der Antenne anwendbar, bei denen die abgestrahl­ ten elektromagnetischen Wellen im Verhältnis zur Grö­ ße des Untersuchungsobjekts praktisch eine ebene Wel­ lenfront besitzen. Wenn jedoch eine Untersuchung von Fehlstellen in Beton durchgeführt wird, beträgt die Entfernung des untersuchten Bereichs von der Dipolan­ tenne üblicherweise etwa 10 bis 25 cm. Hier ist die Ausbreitungsfront der elektromagnetischen Wellen im Wesentlichen noch gekrümmt, so daß die Bedingungen, die der Formel zugrunde liegen, nicht mehr gelten. Es wurde gefunden, daß bei derartigen Entfernungen, im sogenannten Nahfeld, von einer Antenne mit der nach dieser Formel bestimmten Länge nicht ein Feldverlauf im Untersuchungsbereich erhalten wird, der wie beim Fernfeld hinsichtlich des Verhältnisses von Amplitude und Dauer angenähert optimiert ist. Dabei wurde an­ hand von Simulationsberechnungen festgestellt, daß auch eine stärkere Verkürzung der Antennenlänge zu einer deutlichen Verkürzung der Impulsdauer führt, ohne daß eine merkbare Verringerung der Amplitude auftritt. Erst wenn die Antennenlänge übermäßig ver­ kürzt wird, ergibt sich auch eine stärkere Abnahme der Amplitude. Dabei tritt die Amplitudenabnahme ins­ besondere dann sehr spät auf, wenn solche die Dipo­ lantenne speisenden Impulse verwendet werden, die nichtlineare Flanken mit zunehmender Steilheit auf­ weisen.

Fig. 5 zeigt den eingespeisten Impuls für die in Fig. 6 dargestellten, durch Simulationsberechnungen erhal­ tenen Feldverläufe in einer Entfernung von 15 cm von der Dipolantenne in der H-Ebene. Der in Fig. 6 ausge­ zogen dargestellte Verlauf ist einer Dipolantenne mit einer Länge von 5,04 cm zugeordnet. Diese Länge er­ gibt sich aus der obigen Formel als nahezu optimale Länge für ein Fernfeld. Der punktiert dargestellte Verlauf wurde für eine Dipolantenne mit einer Länge von 4,20 cm unter ansonsten gleichen Bedingungen er­ rechnet. Wie ersichtlich ist, konnte eine nicht uner­ hebliche Verkürzung der Impulsdauer erzielt werden, während die Amplitude praktisch unverändert geblieben ist. Die optimale Antennenlänge muß versuchsweise er­ mittelt werden, indem sie schrittweise verkürzt und dann der jeweilige Feldverlauf berechnet wird. Abhän­ gig von den jeweils geforderten Bedingungen ist dann zu entscheiden, welche Antennenlänge in Bezug auf das Verhältnis von Amplitude und Dauer des im Untersu­ chungsbereich auftretenden Impulses als optimal ange­ sehen wird.

Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der Berechnungen des Feldverlaufs für die jeweiligen An­ tennenlängen diesen experimentell anhand von Modellen zu bestimmen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, nicht nur eine einzelne Antenne zu verwenden, sondern mehrere Anten­ nen, die in einer beliebigen Geometrie angeordnet sein können. Es wird hierdurch ein Gruppenstrahler erhalten, dessen Fokus durch entsprechende Verzöge­ rungen der Speiseimpulse sowohl in der Tiefe als auch in der Ausdehnung gesteuert werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Strukturuntersu­ chung eines Mediums durch Radar mittels Verwen­ dung einer monostatischen oder bistatischen Di­ polantenne, welche Radarimpulse aussendet und empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einer durch die Beziehung
wobei l die Länge der Dipolantenne, τ die Dauer des eingespeisten Impulses und v die Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit des abgestrahlten Impulses im zu untersuchenden Medium darstellen, bestimm­ ten Länge der Dipolantenne für eine unendliche Entfernung des Untersuchungsbereichs von der Di­ polantenne eine Bestimmung der Länge der Dipo­ lantenne für in Bezug auf das Verhältnis von Am­ plitude und Dauer optimale Empfangsimpulse bei einer vorgegebenen Entfernung des Untersuchungs­ bereichs von der Dipolantenne durchgeführt wird, indem Versuchsberechnungen oder -messungen der elektrischen Feldstärke im Untersuchungsbereich erfolgen, bei denen die Länge der Dipolantenne ausgehend von der Länge für die unendliche Ent­ fernung jeweils schrittweise verkürzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Dipolantenne speisenden Impulse nichtlineare Flanken mit zunehmender Steilheit aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Abstand und parallel zur Dipolantenne auf der dem zu untersuchenden Medi­ um entgegengesetzten Seite ein Reflektor für die ausgesandten Radarimpulse vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand d zwischen der Dipolantenne und dem Reflektor für eine unendliche Entfernung des Untersuchungsbereichs von der Dipolantenne durch die folgende Beziehung
gegeben ist und daß für eine vorgegebene Entfer­ nung des Untersuchungsbereichs von der Dipolan­ tenne die Bestimmung des Abstands für in Bezug auf das Verhältnis von Amplitude und Dauer opti­ male Empfangsimpulse bei der vorgegebenen Ent­ fernung durch Versuchsberechnungen oder - messungen der elektrischen Feldstärke im Unter­ suchungsbereich erfolgt, bei denen der Abstand ausgehend von dem Abstand für die unendliche Entfernung jeweils schrittweise verkürzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Raum zwischen Dipolantenne und Reflektor mit einem verlustarmen Material gefüllt ist, dessen Permittivität (Dielektrizi­ tätszahl) möglichst den gleichen Wert wie das zu untersuchende Medium aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das zwischen Dipolantenne und Reflektor angeordnete Material Beton ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dipolantenne eine Breitbandantenne ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Breitbandantenne eine Bow-Tie- Antenne ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die dem zu untersu­ chenden Medium zugewandte Oberfläche der Dipo­ lantenne mit einer dielektrischen Schutzschicht überzogen ist, deren Permittivität möglichst den gleichen Wert wie das zu untersuchende Medium aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Dipolantennen in wahlweiser Anordnung einen Gruppenstrahler bilden.