DE10131450A1

DE10131450A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse einer Oberfläche mittels Mikrowellen

Info

Publication number: DE10131450A1
Application number: DE2001131450
Authority: DE
Inventors: Johann-Georg Otto; Wolfram Pannert; Markus Hald
Original assignee: FACHHOCHSCHULE AALEN
Current assignee: FACHHOCHSCHULE AALEN
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Analyse einer Oberfläche (6) mittels Mikrowellen. Dazu werden Mikrowellen erzeugt (9), in Richtung auf die Oberfläche (6) ausgesandt (11), von der Oberfläche (6) reflektierte oder gestreute Mikrowellen wieder empfangen (11) und ausgewertet. Um eine möglichst detaillierte Analyse der Oberfläche (6) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass eine Relativbewegung zwischen der Vorrichtung (1) und der Oberfläche (6) besteht und ein Doppler-Signal ausgewertet wird. Als Doppler-Signal wird vorzugsweise die Doppler-Frequenz herangezogen. Es wird vorgeschlagen, das Doppler-Signal mittels einer Zeit-Frequenz-Transformation auszuwerten. Vorzugsweise wird das Doppler-Signal auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung normiert. Es wird des Weiteren vorgeschlagen, dass die Relativgeschwindigkeit ebenfalls mittels des Doppler-Signals ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Oberfläche mittels Mikrowellen, bei dem Mikrowellen erzeugt, die Mikrowellen in Richtung der Oberfläche ausgesandt, an der Oberfläche reflektierte oder gestreute Mikrowellen empfangen und die empfangenen Mikrowellen ausgewertet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Analyse einer Oberfläche mittels Mikrowellen, mit Mitteln zum Erzeugen von Mikrowellen, Mitteln zum Aussenden der Mikrowellen in Richtung der Oberfläche, Mitteln zum Empfangen von an der Oberfläche reflektierten oder gestreuten Mikrowellen und Mitteln zum Auswerten der empfangenen Mikrowellen.

Aus der US 5,440,238 ist die Analyse einer Oberfläche mittels Mikrowellen bekannt. Mit Hilfe eines dort beschriebenen Verfahrens können Oberflächeneigenschaften gemessen, detektiert und erfasst werden. In dieser Druckschrift wird auch eine Analysevorrichtung beschrieben, die einen Mikrowellensender zum Erzeugen und Aussenden von Mikrowellen in Richtung der Oberfläche, einen Mikrowellenempfänger zum Empfangen von auf der Oberfläche reflektierten oder gestreuten Mikrowellen und Mittel zum Auswerten der empfangenen Mikrowellen umfasst. Bei dem bekannten Analyseverfahren handelt es sich um ein statisches Verfahren, d. h. die Analysevorrichtung wird nicht relativ zu der zu analysierenden Oberfläche bewegt, sondern an einer bestimmten Stelle auf die Oberfläche aufgesetzt und während der Analyse an dieser Stelle gehalten. Es ist zwar theoretisch möglich, durch Verschieben der Analysevorrichtung auf der Oberfläche zwischen einem Analysevorgang und dem nächsten auch größere Oberflächen zu analysieren, das Erfassen großflächiger Oberflächenstrukturen ist damit jedoch nicht bzw. nur mit großem Aufwand möglich. Insbesondere müßten die Ergebnisse der verschiedenen statischen Analysevorgänge zueinander in Verbindung gebracht und zu einer einzigen Messung zusammengefügt werden.

Die Mikrowellen können organische Schichten, bspw. Lackschichten oder andere Beschichtungen auf einer Oberfläche, problemlos durchdringen, so dass die Oberflächeneigenschaften unter diesen Schichten analysiert werden können. Insbesondere kann mit dem bekannten Verfahren die Korrosion in verschiedenen Materialien einschließlich Halbleitern und herkömmlichen Leitern erkannt werden. Die Auswertung der Mikrowellen besteht in einer Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen ausgesandten und empfangenen Mikrowellen. Aus der Phasenverschiebung wird der Abstand zwischen der Analysevorrichtung und der zu analysierenden Oberfläche bestimmt. So kann bspw. Korrosion an einer zu analysierenden Oberfläche dadurch erkannt werden, dass sich bei Korrosion die mittlere Entfernung der Oberfläche zu der Analysevorrichtung ändert.

Aus dem Bereich der Medizintechnik ist der Einsatz eines Doppler-Verfahrens bei der Ultraschalldiagnostik zur Untersuchung und Registrierung von Bewegungsvorgängen im Körper eines Lebewesens bekannt. Dabei werden Ultraschallwellen im Bereich von 10⁶ bis 10⁷ Hz eingesetzt. Die Ultraschall-Doppler-Technik wird insbesondere für die Blutflussmessung und zum Nachweis von Durchblutung und Herzaktionen eingesetzt. Hauptanwendungsgebiet ist die Untersuchung von Blutströmungen im menschlichen Körper (Reflexion an den roten Blutkörperchen), ein Vitalitätsnachweis und eine Ermittlung von Strömungskenngrößen an bestimmten Gefäßabschnitten. Mit dem Doppler-Verfahren werden also Bewegungen von Teilchen in dem Körper eines Lebewesens detektiert.

Bei dem aus der Medizintechnik bekannten Doppler-Verfahren wird die Analysevorrichtung ebenfalls nicht relativ zu dem zu analysierenden Teil des Körpers eines Lebewesens bewegt, sondern an einer bestimmten Stelle auf den Körper aufgesetzt und während der Analyse an dieser Stelle gehalten. Während der Analyse bewegen sich die roten Blutkörperchen oder andere zu untersuchende Teilchen relativ zu der Analysevorrichtung durch Gefäße in dem Körper. Durch eine Reflexion von Ultraschallwellen an den bewegten Teilchen und eine Überlagerung der reflektierten Wellen mit den ausgesandten Ultraschallwellen ergibt sich der Doppler-Effekt. Außerdem wird das Doppler-Verfahren in der Medizintechnik nicht zur Gewinnung von Bildinformationen über den Körper eines Lebewesens und noch weniger zur Analyse von Oberflächen des Körpers von Lebewesen eingesetzt (vgl. Schröder, Ralf-Jürgen: Hochauflösende farbcodierte Duplexsonografie von Hauttumoren in-vitro-tierexperimentelle und klinische Studien zur Signalverstärkung durch d-galaktosehaltige Ultraschallkontastmittel; http:/ / dochost.rz. huberlin.de/habilitationen/schroeder-ralf-juergen-2000-03- 07/HTML/schroeder-ch3.html).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Stuktur einer Oberfläche, bpsw. Profilierungen oder Rauigkeiten der Oberfläche, im Detail über große Bereiche der Oberfläche zu erfassen und zu analysieren. Besonders wichtig ist dabei die Möglichkeit einer zuverlässigen und genauen Analyse der Oberflächenstruktur selbst wenn diese optisch nicht sichtbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass eine Relativbewegung zwischen einem Ort der Mikrowellenaussendung und/oder einem Ort des Mikrowellenempfangs einerseits und der zu analysierenden Oberfläche andererseits entlang der Oberfläche erzeugt und im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen ein Dopplersignal erfasst und ausgewertet wird.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich also im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten statischen Analyseverfahren um eine dynamische Messung mit Mikrowellen. Der Frequenzbereich der Mikrowellen umfasst 10⁹ bis 10¹² Hz. Die Mikrowellen werden an der zu analysierenden Oberfläche nach den bekannten Gesetzen der Physik je nach Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächenmaterial unterschiedlich stark reflektiert und gestreut. Durch die Relativbewegung zwischen dem Ort der Mikrowellenaussendung bzw. dem Ort des Mikrowellenempfangs und der zu analysierenden Oberfläche kommt es zu einer Frequenzverschiebung zwischen ausgesandten und empfangenen Mikrowellen nach dem Dopplereffekt. Bewegt sich die zu analysierende Oberfläche auf den Ort der Mikrowellenaussendung bzw. auf den Ort des Mikrowellenempfangs zu, reduziert sich die von den Mikrowellen zum Durchlaufen der Strecke zwischen Mikrowellensender, reflektierender Oberfläche und Mikrowellenempfänger benötigte Zeitspanne im Vergleich zu der gleichen Konstellation bei einer stationären Messung. Da das Produkt aus Zeit und Geschwindigkeit der Weg ist, reduziert sich bei konstanter Schallgeschwindigkeit und verringerter Zeit der in Wellenlängen gemessene Weg. Der umgekehrte Effekt tritt auf, wenn sich die zu analysierende Oberfläche von dem Mikrowellensender bzw. von dem Mikrowellenempfänger fort bewegt. Insgesamt kommt es also bei der dynamischen Messung zu einer Verringerung bzw. Erhöhung der Wellenlänge.

Umgekehrt proportional hierzu ändert sich die Frequenz der Mikrowellen. Der Unterschied zwischen ausgesandter und empfangener Frequenz wird Dopplerfrequenzverschiebung genannt. Für die Dopplerfrequenzverschiebung gilt:

f_D = 2.f₀.v/c

mit f₀ = Sendefrequenz der Mikrowellen
v = Geschwindigkeit der Relativbewegung
c = Lichtgeschwindigkeit.

Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Analyse einer Oberfläche. Es werden ausdrücklich nicht andere Eigenschaften der Oberfläche, bspw. die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Mikrowellensender bzw. Mikrowellenempfänger und der Oberfläche, ermittelt. Die Relativbewegung wird vielmehr nur deshalb ausgeführt, um ein geeignetes Messsignal für eine besonders genaue und zuverlässige Analyse der Oberfläche, nämlich das Dopplersignal, zu erhalten.

Als Mikrowellensender und/oder Mikrowellenempfänger werden Mikrowellenantennen eingesetzt, die bspw. als eine Hornantenne ausgebildet sind. Da Mikrowellenantennen lediglich eine endliche Richtwirkung haben, treffen die Mikrowellen nicht mit einem diskreten Winkel, sondern mit einer Winkelverteilung auf die zu analysierende Oberfläche. Der Öffnungswinkel von Mikrowellen-Hornantennen liegt im Bereich von wenigen Grad bis 180°. Die einzelnen Teilstrahlen der Mikrowellenstrahlung treffen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Oberfläche und tasten damit die Oberfläche aus verschiedenen Richtungen ab. Die empfangenen reflektierten Mikrowellenstrahlen enthalten je nach Art der Oberflächenbeschaffenheit entsprechend der Winkel, aus denen die einzelnen Teilstrahlen zu dem Mikrowellenempfänger gelangen, unterschiedliche Dopplerfrequenzen und unterschiedliche Intensitäten. Dopplerfrequenzen oder Intensitäten der empfangenen Mikrowellen können als Dopplersignal erfasst und ausgewertet werden. Auch die Drehung der Polarisationsrichtung der empfangenen Mikrowellenstrahlen kann als Dopplersignal ausgewertet werden.

Zum Auswerten der empfangenen Mikrowellen kann eine spektrale Analyse des empfangenen Mikrowellensignals bspw. mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt und die in dem Signal enthaltenen Frequenzen grafisch dargestellt werden. Die in dem Signal enthaltenen Frequenzen können als Grundlage für eine Klassifizierung der analysierten Oberfläche dienen. Eine Klassifizierung an Hand von Merkmalen im Zeitbereich ist je nach Anwendung ebenfalls möglich.

Die Auswertung des Signals der empfangenen Mikrowellen wird vereinfacht, wenn von einer konstanten Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Mikrowellensender und/oder Mikrowellenempfänger einerseits und zu analysierender Oberfläche andererseits ausgegangen werden kann. Bei Schwankungen der Relativgeschwindigkeit kann die Zeitachse des Messsignals mit Hilfe einer parallelen Geschwindigkeitsmessung korrigiert bzw. auf eine vorgebbare Sollgeschwindigkeit normiert werden. Dadurch ist die Vergleichbarkeit mit vorgegebenen Referenzsignalen und eine Reproduzierbarkeit der Messung gegeben und eine genaue und zuverlässige Klassfikation der Messsignale ist möglich.

In der physikalischen Optik gilt, dass Objekte, die deutlich kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung sind, kaum oder gar nicht detektierbar sind. Um die Auflösung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens zu verbessern, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen aus dem Dopplersignal charakteristische Dopplerspektren ermittelt und ausgewertet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch einen großen Öffnungswinkel der verwendeten Mikrowellenantennen bewusst eine großflächige Ausdehnung der Mikrowellen auf der zu analysierenden Oberfläche erzielt. Durch die großflächige Ausdehnung der Mikrowellen auf der Oberfläche in Verbindung mit der Auswertung der charakteristischen Dopplerspektren ist eine besonders detaillierte Analyse der Oberflächenstruktur möglich. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren großflächige Strukturen im Mikrometerbereich erfasst werden, obwohl die Wellenlängen der Mikrowellen im Millimeterbereich liegen (Wellenlänge lambda = c/f).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen eine Änderung der Frequenz oder der Wellenlänge zwischen den ausgesandten Mikrowellen und den empfangen Mikrowellen auf Grund des Doppler-Effekts erfasst und ausgewertet wird.

Einflüsse auf das Ergebnis des Analyseverfahrens auf Grund einer Änderung des Abstands zwischen dem Mikrowellensender bzw. dem Mikrowellenempfänger einerseits und der zu analysierenden Oberfläche andererseits und auf Grund einer Änderung des Einfallswinkels der Mikrowellen können durch mechanische Vorrichtungen oder durch rechnerische Korrektur vermindert oder gar ganz eliminiert werden. Vorteilhafterweise wird die Relativbewegung bei einem konstanten Abstand zwischen dem Ort der Mikrowellenaussendung und/oder dem Ort des Mikrowellenempfangs einerseits und der zu analysierenden Oberfläche andererseits erzeugt. Ebenso werden die Mikrowellen vorteilhafterweise derart ausgesandt, dass die ausgesandten Mikrowellen mit einem konstanten mittleren Winkel auf die zu analysierende Oberfläche treffen. Die Analysevorrichtung verfügt also über mechanische Vorrichtungen, durch die der Abstand zwischen dem Mikrowellensender bzw. dem Mikrowellenempfänger einerseits und der zu analysierenden Oberfläche andererseits sowie der Einfallswinkel der Mikrowellenstrahlen auf die Oberfläche konstant gehalten wird.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung ermittelt und das Dopplersignal auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung normiert wird. Dadurch können verschiedene Messergebnisse miteinander verglichen und einzelne Messergebnisse reproduziert werden. Als Geschwindigkeit kann sowohl die Momentangeschwindigkeit als auch eine Durchschnittsgeschwindigkeit der Relativbewegung herangezogen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung erfasst und das Dopplersignal auf die Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung normiert wird.

Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen Transformationsverfahren, insbesondere Zeit-Frequenz- Transformationen (Wigner-Ville; Short-Time-Fourier- Transformation, STFT) und Wavelet-Transformationen, und/oder Klassifikationsverfahren, insbesondere mittels neuronaler Netze und/oder Fuzzy-Logik, auf das Dopplersignal angewandt werden. Die Zeit-Frequenz-Transformationen bieten sich für die Untersuchung des Verlaufs von Oberflächeneigenschaften besonders an, da sie eine zweidimensionale Darstellung der Oberflächeneigenschaften ermöglichen, so dass Fehlstellen oder Korrosion auf der Oberfläche bildhaft erkannt und auf der zu analysierenden Oberfläche lokalisiert werden können. Klassifikationsverfahren unter Einsatz neuronaler Netze und/oder Fuzzy-Logik erlauben eine automatische Klassifikation der zu analysierenden Oberflächen. Außerdem können derartige Klassifikationsverfahren erlernen, welche Oberflächen in welche Klassen einzuordnen sind.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Einsatz zur Klassifikation von Oberflächen und Oberflächenstrukturen. Oberflächen von metallischen Objekten müssen je nach Einsatzzweck glatt sein oder eine definierte Oberflächenstruktur aufweisen. Rohre von Wärmetauschern bspw. werden aus profilierten Kupferbändern hergestellt, deren Profilierungsart an das verwendete Wärmetauschermedium angepasst ist und über die Güte des Wärmetransports entscheidet. Die Herstellung dieser Kupferbänder erfolgt mit mechanischen Werkzeugen, durch die die entsprechenden Strukturen in die Kupferbleche eingeprägt werden. Gemäß der vorgeschlagenen Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Herstellung dieser Kupferbänder online überwacht. Die Bänder treten aus einer Walzanlage mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s aus. Die Überwachung der Profilierung der Kupferbänder kann auf Grund der relativ hohen Geschwindigkeiten nicht mit berührenden Verfahren erfolgen. Optische Verfahren setzen eine relativ saubere Umgebung und relativ gute Reflexionseigenschaften der Kupferbänder im optischen Bereich voraus, die in der Regel jedoch nicht gegeben sind. Hier stellt das erfindungsgemäße dynamische Mikrowellenanalyseverfahren eine optimale Lösung dar.

Eine andere vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Einsatz zur Detektion von unter Lack verborgener Korrosion. Zum Schutz vor Korrosion werden glatte Metalloberflächen häufig beschichtet. Die Beschichtung kann auch dekorativen Zwecken dienen und ist in der Regel undurchsichtig. Beginnende Korrosion kann daher mit bloßem Auge nicht erkannt werden. Erst wenn die Korrosion unter dem Lack aufblüht oder der Lack sogar schon abblättert kann eine Korrosion optisch detektiert werden, was insbesondere in sicherheitsrelevanten Bereichen wie bspw. in der Aeronautik in der Regel zu spät ist. Aus diesem Grund werden bspw. Flugzeuge in regelmäßigen Abständen großflächig entlackt, um eine Sichtprüfung auf Korrosion vornehmen zu können. Auch hier stellt das erfindungsgemäße dynamische Mikrowellenanalyseverfahren eine optimale Lösung dar. Da Mikrowellen organische Schichten wie bspw. Lackschichten problemlos durchdringen können, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Entlacken vor der Analyse der Oberflächen des Flugzeugs (z. B. Rumpf, Tragflächen, Leitwerk) und das erneute Lackieren des Flugzeugs im Anschluß an die Analyse entfallen.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Vorrichtung entlang der zu analysierenden Oberfläche relativ zu dieser bewegbar ist und die Mittel zum Auswerten ein Dopplersignal erfassen und auswerten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Geschwindigkeitsaufnehmer zum Erfassen der Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung aufweist und die Mittel zum Auswerten das Dopplersignal auf die Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung normieren.

Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung für die ausgesandten und die empfangenen Mikrowellen. In dem Gehäuse ist sowohl der Mikrowellensender als auch der Mikrowellenempfänger angeordnet. Es ist denkbar, dass der Sender und der Empfänger zu einer gemeinsamen Mikrowellenantenne zusammengefaßt sind. Das Gehäuse ist vorzugsweise mit einem Mikrowellenabsorber ausgekleidet. Dies kann bspw. ein Schaumstoffmaterial sein.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung Rollen zum Verfahren der Vorrichtung auf der zu analysierenden Oberfläche aufweist. Beim Einsatz von mindestens zwei auf der gleichen Achse angeordneten Rollen kann der Abstand zwischen dem Mikrowellensender bzw. dem Mikrowellenempfänger und der zu analysierenden Oberfläche andererseits konstant gehalten werden, falls der Mikrowellensender und der Mikrowellenempfänger zwischen den Rollen im Bereich der Achse angeordnet sind. Der Einfallswinkel der Mikrowellenstrahlen auf die Oberfläche ist dabei jedoch nach wie vor variabel. Beim Einsatz von auf mehreren Achsen angeordneten Rollen kann zusätzlich auch der Einfallswinkel der Mikrowellenstrahlen auf die Oberfläche konstant gehalten werden. Die zu analysierende Oberfläche kann auch gekrümmt sein.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Rollen ein Drehgeber als Geschwindigkeitsaufnehmer zum Erfassen der Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung zugeordnet ist. Die mindestens eine Rolle kann entweder unmittelbar oder über ein Getriebe mit dem Drehgeber gekoppelt sein.

Es wird vorgeschlagen, dass eine Rolle zumindest teilweise im Strahlengang der ausgesandten Mikrowellen angeordnet und die Umfangsfläche der Rolle derart beschaffen ist, dass sich ein weiteres Dopplersignal der Umfangsgeschwindigkeit der Rolle als Referenzsignal dem Dopplersignal der zu analysierenden Oberfläche überlagert. Durch eine entsprechende Analyse des Dopplerspektrums kann dieses Referenzsignal dann extrahiert und in die entsprechende Relativgeschwindigkeit umgerechnet werden. Die Rolle zur Erzeugung des Referenzsignals sollte insbesondere eine ausreichende Oberflächenrauigkeit der Umfangsfläche aufweisen.

Erleichtert wird die zeitliche Normierung dadurch, dass die das Referenzsignal erzeugende Rolle durch eine mechanische Übersetzung ein mehrfaches der Relativgeschwindigkeit zwischen Mikrowellensender bzw. Mikrowellenempfänger einerseits und zu analysierender Oberfläche andererseits aufweist, so dass die Frequenzbereiche der Geschwindigkeitsmessung und der Analyse der Oberflächeneigenschaften in dem Dopplerspektrum deutlich voneinander getrennt liegen. Deshalb wird vorgeschlagen, dass die Umfangsgeschwindigkeit der in dem Strahlengang der ausgesandten Mikrowellen angeordneten Rolle ein Mehrfaches der Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung beträgt.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise monostatisch ausgebildet. Das bedeutet, dass die Vorrichtung über eine gemeinsame Antenne zum Aussenden und zum Empfangen von Mikrowellen aufweist. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung bistatisch ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Analysevorrichtung getrennte Antennen zum Aussenden und zum Empfangen von Mikrowellen aufweist. Monostatische und bistatische Vorrichtungen können beide sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden. Beim kontinuierlichen Betreib werden kontinuierlich Mikrowellen ausgesandt und empfangen. Die ausgesandten und die empfangenen Mikrowellen werden einem Mischer zugeführt, der das Dopplersignal ausgibt. Beim gepulsten Betrieb wird zwischen Aussenden und Empfangen von Mikrowellen hin- und hergeschaltet. Als empfangene Mikrowellen können die von der zu analysierenden Oberfläche in die Vorrichtung gestreuten Mikrowellen oder die von der zu analysierenden Oberfläche in die Vorrichtung reflektierten Mikrowellen ausgewertet werden.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht teilweise im Schnitt;
Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1 in Draufsicht teilweise im Schnitt entlang der Linie A-A;
Fig. 3 Mittel zum Erzeugen, Aussenden und Empfangen von Mikrowellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1 im Ausschnitt; und
Fig. 4 einen beispielhaften Verlauf eines Dopplerspektrums, das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgewertet wird.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit drei Rollen 3, 4, 5, mit denen die Vorrichtung 1 über eine zu analysierende Oberfläche 6 bewegt wird. Die Vorrichtung 1 wird in einem konstanten Abstand a (vgl. Fig. 3) zu der Oberfläche 6 bewegt. Die Vorrichtung 1 kann manuell oder über Führungsmittel 7 durch ein geeignetes Handhabungsgerät, bspw. einen Roboter oder einen Teleskoparm (nicht dargestellt) auf der Oberfläche 6 bewegt werden. Die Führungsmittel 7 umfassen ein Federelement 8, das dafür sorgt, dass die Vorrichtung 1 mit einer konstanten Kraft auf die Oberfläche 6 gedrückt wird. Außerdem dient das Federelement 8 zum Ausgleich von Unebenheiten auf der Oberfläche 6, so dass diese nicht auf das Handhabungsgerät durchschlagen.
Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren Mittel 9 zum Erzeugen von Mikrowellen in einem Frequenzbereich von 10⁹ bis 10¹² Hz.
Die Mikrowellen werden über einen Hohlleiter 10 zu einer Mikrowellenantenne 11 geführt. Die Mikrowellenantenne 11 ist als eine Hornantenne ausgebildet. Die Mikrowellenantenne 11 hat einen Öffnungswinkel α, in dem die Mikrowellen in Richtung der zu analysierenden Oberfläche 6 ausgesandt werden (vgl. Fig. 3). Die Mikrowellenantenne 11 ist in einem mittleren Einfallswinkel β zu der Oberfläche 6 ausgerichtet.
Die Mittel 9 zum Erzeugen der Mikrowellen sind mittels eines Halteelements 12 an dem Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 befestigt. In dem Gehäuse 2 ist eine kreisbogenförmige Nut 13 vorgesehen, in der der Schaft einer Schraube 14 geführt ist, die mittels ihres Gewindes in den Haltemitteln 12 festlegbar ist. Durch Lösen der Schraube 14 können die Mittel 9, der Wellenleiter 10 und die Mikrowellenantenne 11 um eine Achse 15 relativ zu dem Gehäuse 2 verschwenkt werden. Dadurch kann der mittlere Einfallswinkel β der Mikrowellenstrahlen auf die Oberfläche 6 variiert werden. Durch Anziehen der Schraube 14 können die Mittel 9, der Wellenleiter 10 und die Mikrowellenantenne 11 an dem Gehäuse 2 festgelegt werden, so dass die Mikrowellen in einem gewünschten mittleren Einfallswinkel β auf die Oberfläche 6 treffen.
In dem Strahlengang der aus der Mikrowellenantenne 11 austretenden Mikrowellen ist eine vierte Rolle 16 (vgl. Fig. 2) angeordnet. Die Rolle 16 steht über ein Getriebe umfassend einen Riemen 17 mit der Rolle 5 in Verbindung, so dass die Umfangsgeschwindigkeit der Rolle 16 ein Mehrfaches der Geschwindigkeit beträgt, mit der die Vorrichtung 1 relativ zu der Oberfläche 6 über diese bewegt wird. Der Riemen 17 kann mittels einer Spannrolle 18, die in einer in dem Gehäuse 2 ausgebildeten Nut 19 verschiebbar geführt und darin festlegbar ist, gespannt werden. Die Rolle 16 dient dazu, ein dem eigentlichen Messsignal überlagertes Referenzsignal zu erzeugen, das abhängig ist von der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung 1 und der Oberfläche 6.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wird zur Analyse der Oberfläche 6, insbesondere zur Analyse der Oberflächenstruktur, eingesetzt. Dazu wird die Vorrichtung 1 mit ihren Rollen 3, 4, 5 auf der Oberfläche 6 aufgesetzt und relativ zu dieser über die Oberfläche 6 bewegt. Alternativ kann natürlich auch die Oberfläche 6 relativ zu der Vorrichtung 1 bewegt werden. Die Mittel 9 erzeugen Mikrowellen, die über die Mikrowellenantenne 11 in Richtung der Oberfläche 6 ausgesandt werden. Die Mikrowellen durchdringen Lackschichten 20 oder andere Beschichtungen auf der Oberfläche 6 problemlos (vgl. Fig. 2). Je nach Art der Oberfläche 6 bzw. je nach Ausgestaltung der Oberflächenstruktur werden die Mikrowellen an der Oberfläche 6 unterschiedlich reflektiert und gestreut. Auch innerhalb eines Strahlenbündels werden die einzelnen Mikrowellen-Teilstrahlen auf Grund des relativ großen Öffnungswinkels α der Mikrowellenantenne 11 und der daraus resultierenden unterschiedlichen Einfallswinkel der einzelnen Teilstrahlen verschieden reflektiert und gestreut. Ein Teil der ausgesandten Mikrowellen wird von der Oberfläche 6 wieder in Richtung der Mikrowellenantenne 11 reflektiert und von dieser empfangen. Alternativ können natürlich auch die von der Oberfläche 6 gestreuten Mikrowellen empfangen werden.
Auf Grund der unterschiedlichen Laufzeiten der einzelnen Mikrowellen-Teilstrahlen ergibt sich ein für die Oberfläche 6 charakteristischer Verlauf des empfangenen Messsignals. Auf Grund der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung 1 und der Oberfläche 6 macht sich der Doppler-Effekt zwischen den ausgesandten Mikrowellen und den empfangenen Mikrowellen bemerkbar.
Die ausgesandten Mikrowellen und die empfangenen Mikrowellen werden einem Mischer zugeführt, der ein Doppler-Signal liefert, das zur Analyse der Oberfläche 6 ausgewertet wird. Als Doppler-Signal kann insbesondere eine Doppler-Frequenz oder eine Doppler-Wellenlänge ausgewertet werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Doppler-Frequenz ausgewertet. Dazu wird das Doppler-Signal einer Zeit-Frequenz- Transformation unterzogen. Die Zeit-Frequenz-Transformation ist bspw. als eine Short-Time-Fourier-Transformation (STFT) ausgebildet. In Fig. 4 ist beispielhaft das Spektrum eines Doppler-Signals dargestellt. Der Frequenzbereich, der das charakteristische Doppler-Frequenzspektrum umfasst, ist mit f_ch bezeichnet. Dieses charakteristische Frequenzspektrum f_ch wird zur Analyse der Oberfläche 6 ausgewertet. An Hand des charakteristischen Frequenzspektrums f_ch kann die Oberflächenstruktur ermittelt und die Oberfläche 6 einer bestimmten Kategorie zugeordnet werden.
Die vierte Rolle 16 dreht sich mit einer Umfangsgeschwindigkeit, die ein Mehrfaches der Relativgeschwindigkeit zwischen der Vorrichtung 1 und der Oberfläche 6 beträgt. Der Doppler-Effekt, der durch die drehende Rolle 16 hervorgerufen wird, führt zu einem Peak bei der Frequenz f_v, der in dem Frequenzspektrum in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist. Um die Relativgeschwindigkeit der Vorrichtung 1 zu der Oberfläche 6 bestimmen zu können, wird die Frequenz f_v ermittelt. Vor dem Auswerten des Doppler- Signals wird dieses auf die momentane Relativgeschwindigkeit normiert. Dadurch ergibt sich eine Vergleibarkeit mehrerer Messergebnisse und eine Reproduzierbarkeit einzelner Messergebnisse.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Oberflächenstrukturen ermittelt und Fehler in der Oberfläche, die bspw. durch Korrosion hervorgerufen werden, genau und zuverlässig detektiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bspw. in der Aeronautik eingesetzt werden und ermöglicht es, Korrosion an Außenflächen eines Flugzeugs (am Rumpf, Tragflächen oder Leitwerk) frühzeitig zu detektieren, ohne dass das Flugzeug entlackt und anschließend wieder lackiert werden müsste. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch ohne weiteres auch auf anderen Gebieten zur Analyse von beliebigen Oberflächen eingesetzt werden. Bei Bedarf kann die Vorrichtung 1 dazu entsprechend ausgestaltet und abgeändert werden.

Claims

1. Verfahren zur Analyse einer Oberfläche (6) mittels Mikrowellen, bei dem Mikrowellen erzeugt, die Mikrowellen in Richtung der Oberfläche (6) ausgesandt, an der Oberfläche (6) reflektierte oder gestreute Mikrowellen empfangen und die empfangenen Mikrowellen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen einem Ort der Mikrowellenaussendung (11) und/oder einem Ort des Mikrowellenempfangs (11) einerseits und der zu analysierenden Oberfläche (6) andererseits entlang der Oberfläche (6) erzeugt und im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen ein Dopplersignal erfasst und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen aus dem Dopplersignal charakteristische Dopplerspektren ermittelt und ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen eine Änderung der Frequenz (delta_f) oder der Wellenlänge (delta_lambda) zwischen den ausgesandten Mikrowellen und den empfangen Mikrowellen auf Grund des Doppler-Effekts erfasst und ausgewertet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung bei einem konstanten Abstand (a) zwischen dem Ort der Mikrowellenaussendung (11) und/oder dem Ort des Mikrowellenempfangs (11) einerseits und der zu analysierenden Oberfläche (6) andererseits erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen derart ausgesandt werden, dass die ausgesandten Mikrowellen mit einem konstanten mitteleren Winkel (β) auf die zu analysierende Oberfläche (6) treffen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (V) der Relativbewegung ermittelt und das Dopplersignal auf die Geschwindigkeit (V) der Relativbewegung normiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung erfasst und das Dopplersignal auf die Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung normiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Auswertung der empfangenen Mikrowellen Transformationsverfahren, insbesondere Zeit-Frequenz-Transformationen (Wigner- Ville-Verteilung; Short Time Fourier Transformation, STFT) und Wavelet-Transformationen, und/oder Klassifikationsverfahren, insbesondere mittels neuronaler Netze und/oder Fuzzy-Logik, auf das Dopplersignal angewandt werden.

9. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Klassifikation von Oberflächen (6) und Oberflächenstrukturen verwendet wird.

10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von unter Lack (20) verborgener Korrosion verwendet wird.

11. Vorrichtung (1) zur Analyse einer Oberfläche (6) mittels Mikrowellen, mit Mitteln (9) zum Erzeugen von Mikrowellen, Mitteln (11) zum Aussenden der Mikrowellen in Richtung der Oberfläche (6), Mitteln (11) zum Empfangen von an der Oberfläche (6) reflektierten oder gestreuten Mikrowellen und Mitteln zum Auswerten der empfangenen Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) entlang der zu analysierenden Oberfläche (6) relativ zu dieser bewegbar ist und die Mittel zum Auswerten ein Dopplersignal erfassen und auswerten.

12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8 aufweist.

13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Geschwindigkeitsaufnehmer zum Erfassen der Momentangeschwindigkeit der Relativbewegung aufweist und die Mittel zum Auswerten das Dopplersignal auf die Momentangeschwindigkeit (V) der Relativbewegung normieren.

14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Gehäuse (2) mit mindestens einer Öffnung für die ausgesandten und die empfangenen Mikrowellen umfasst.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mit einem Mikrowellenabsorber ausgekleidet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Rollen (3, 4, 5) zum Verfahren der Vorrichtung (1) auf der zu analysierenden Oberfläche (6) aufweist.

17. Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Rollen (3, 4, 5) ein Drehgeber als Geschwindigkeitsaufnehmer zum Erfassen der Momentangeschwindigkeit (V) der Relativbewegung zugeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rolle (16) zumindest teilweise im Strahlengang der ausgesandten Mikrowellen angeordnet und die Umfangsfläche (16') der Rolle derart beschaffen ist, dass sich ein weiteres Dopplersignal der Umfangsgeschwindigkeit der Rolle als Referenzsignal dem Dopplersignal der zu analysierenden Oberfläche (6) überlagert.

19. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgeschwindigkeit der in dem Strahlengang der ausgesandten Mikrowellen angeordneten Rolle (16) ein Mehrfaches der Momentangeschwindigkeit (V) der Relativbewegung beträgt.