M-sequenze based ultra-wideband radar and its application to crack detection in salt mines

Die vorliegende Dissertation beschreibt einen innovativen ultra-breitband (UWB)elektromagnetischen Sensor basierend auf einem Pseudo-Rauschverfahren.Der Sensor wurde fur zerstorungsfreies Testen in zivilen Anwendungen entwickelt.Zerstorungsfreies Testen entwickelt sich zu einem immer wichtiger werdenden Bereich in Forschung und Entwicklung. Neben unzahligen weiteren Anwendungen und Technologien, besteht ein primares Aufgabenfeld in der Uberwachung und Untersuchung von Bauwerken und Baumaterialien durch beruhrungslose Messung aus der Ferne.Diese Arbeit konzentriert sich auf das Beispiel der Auflockerungszone im Salzgestein.Der Hintergrund und die Notwendigkeit, den Zustand der oberflachennahen Salzschichten in Salzminen kennen zu mussen, werden beleuchtet und die Messaufgabe anhand einfacher theoretischer Uberlegungen beschrieben. Daraus werden die Anforderungen fur geeignete UWB Sensoren abgeleitet. Die wichtigsten Eigenschaften sind eine sehr hohe Messband breite sowie eine sehr saubere Systemimpulsantwort frei von systematischen Geratefehlern. Beide Eigenschaften sind notwendig, um die schwachen Ruckstreuungen der Auflockerungen trotz der unvermeidlichen starken Oberflachenreflexion detektieren zu konnen.Da systematische Fehler bei UWB Geraten technisch nicht von vorne herein komplett vermeidbar sind, muss der Sensor eine Geratekalibrierung erlauben, um solche Fehler moglichst gut zu unterdrucken.Aufgrund der genannten Anforderungen und den Nebenbedingungen der Messumgebung unter Tage, wurde aus den verschiedenen UWB-Technologien ein Prinzip ausgewahlt, welches pseudozufallige Maximalfolgen als Anregungssignal benutzt. Das M-Sequenzkonzept dient als Ausgangpunkt fur zahlreiche Weiterentwicklungen. Ein neues Sendemodul erweitert dabei die Messbandbreite auf 12~GHz. Die aquivalente Abtastrate wird um den Faktor vier auf 36~GHz erhoht, ohne den geringen Abtastjitter des ursprunglichen Konzepts zu vergrossern.Weiterhin wird die Umsetzung eines Zweitormesskopfes zur Erfassung von S-Parametern sowie einer automatische Kalibriereinheit beschrieben. Etablierte Kalibrierverfahren aus dem Bereich der Netzwerkanalyse werden kurz rekapituliert und die Adaption des 8-Term Verfahrens mit unbekanntem Transmissionsnormal fur das M-Sequenzsystem beschrieben. Dabei werden Kennwerte vorgeschlagen, die dem Bediener unter Tage einfach erlauben, die Kalibrierqualitat einzuschatzen und Hinweise auf mogliche Geratefehler oder andere Probleme zu bekommen. Die Kalibriergenauigkeit des neuen Sensors im Labor wird mit der eines Netzwerkanalysators verglichen. Beide Gerate erreichen eine storungsfreie Dynamik von mehr als 60~dB in den Systemimpulsantworten fur Reflexion und Transmission.Der neu entwickelte UWB Sensor wurde in zahlreichen Messungen in Salzminen in Deutschland getestet. Zwei Messbeispiele werden vorgestellt - ein sehr alter, kreisrunder Tunnel sowie ein ovaler Tunnelstumpf, welcher kurz vor den Messungen erst aufgefahren wurde. Messaufbauten und Datenverarbeitung werden beschrieben. Schlieslich werden Schlussfolgerungen und Vorschlage fur zukunftige Arbeiten mit dem neuen M-Sequenzsensor sowie der Messung von Auflockerungen im Salzgestein diskutiert.