DE102004055797B4

DE102004055797B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der inneren Struktur nichtmetallischer Objekte

Info

Publication number: DE102004055797B4
Application number: DE200410055797
Authority: DE
Inventors: Dr. Göller Arndt; Klaus Göller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: DE102004055797A1

Abstract

metallischer Objekte, wobei dieses Verfahren zumindest die Schritte einer Ermittlung von elektrischen und/oder magnetischen Parametern des nichtmetallischen Objektes aus der Auswertung von Messdaten von Mikrowellenapplikatoren umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Messdaten zumindest ein Mikrowellenapplikator mit Streufeldanordung und mindestens ein Mikrowellenapplikator mit Strahlungsfeldanordnung verwendet wird, wobei sich die Mikrowellenapplikatoren bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik und damit bezüglich ihrer Tiefenwirkung unterscheiden, deren unterschiedliche Wichtung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objekts bei der Auswertung der Messdaten berücksichtigt wird und aus deren Messdaten Tiefeninformationen für mehr als zweidimensionale Darstellungen gewonnen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der inneren Struktur nichtmetallischer Objekte, wobei dieses Verfahren zumindest die Schritte einer Ermittlung von elektrischen und/oder magnetischen Messdaten und einer Auswertung dieser Messdaten umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, welche nach dem vorgenannten Verfahren arbeitet.
Bei der Ermittlung von elektrischen und/oder magnetischen Messdaten des nichtmetallischen Objektes werden bisher eine Messeinheit bzw. zwei Messeinheiten mit bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedlichen Mikrowellenapplikatoren eingesetzt, welche integrale Messdaten aus unterschiedlichen Tiefenschichten des nichtmetallischen Objektes generieren.
Dabei können zweidimensionale Darstellungen von elektrischen und/oder magnetischen Materialparametern mit bekannten Verfahren, beispielsweise sog. Mikrowellenverfahren, gewonnen werden. Zur Ermittlung dieser elektrischen oder magnetischen Messdaten wird zumindest ein an sich bekannter Mikrowellensensor eingesetzt.
Für die Aufnahme einer quasi dreidimensionalen bzw. einer mehr als zweidimensionalen Verteilung derartiger elektrischer und/oder magnetischer Messdaten fehlt bisher die Information über deren Verteilung in der Koordinatenrichtung senkrecht zur Fläche der zweidimensionalen Verteilung, im Sinne der Erfindung die sog. Tiefeninformation.
Die Tiefeninformation gibt die Variation der gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parameter in Richtung der Tiefenkoordinate an, die bei Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems üblicherweise der z-Koordinate entspricht.
Aus der DE 197 29 730 C1 ist eine Vorrichtung zur Messung und/oder Abbildung elektrischer, magnetischer und mittelbar daraus ableitbarer Materialeigenschaften bekannt. Mit dieser Lösung wird eine verbesserte Tiefenwirksamkeit des Messens erreicht und in weiten Grenzen eine Anpassung der Oberflächengeometrien und der Messempfindlichkeit an die zu untersuchenden nichtmetallischen Objekte erreicht. Nach Auswertung der gewonnenen Messdaten lassen sich maximal zweidimensionale Darstellungen vom untersuchten nichtmetallischen Objekt gewinnen. welche nicht in jedem Fall den Anforderungen der Praxis entsprechen.
Die Druckschrift WO 2005/043142 A2 behandelt in ihrem beschreibenden Teil im Wesentlichen sehr ausführlich zwei Verfahren der Messung dielektrischer Eigenschaften von Materialproben und speziell Strassenbelägen. Das erste der Verfahren bezieht sich auf die Messung dielektrischer Eigenschaften in einem geschlossenen Hohlraumresonator, wobei hierfür die bekannten Verfahren der Perturbationstheorie und der Ermittlung von Netzwerkparametern zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante des Probekörpers herangezogen werden. Die Besonderheit besteht bei den dargestellten Betrachtungen darin, dass die zu untersuchenden Probekörper nicht mehr klein gegenüber dem Volumen des Resonators sind, was eine Voraussetzung für die Anwendung der Perturbationstheorie ohne zusätzliche Überlegungen wäre, und andererseits den Resonator auch nicht über die gesamte Höhe füllen. Für diesen Fall werden entsprechende Korrekturmöglichkeiten ermittelt und ausführlich dargestellt. Das zweite der Verfahren bezieht sich auf die Messung dielektrischer Materialeigenschaften in einem Mikrowellenfeld, welches durch offene Strukturen wie z. B. Mikrostreifenleiter angeregt wird. Die Struktur ist dabei zum Material hin offen. Auf ihr können sich auch – wie im Fall eines Mikrostreifenleiters – elektromagnetische Wellen ausbreiten.
Damit stellen die beschriebenen Verfahren einen Stand der Technik dar, der seit etwa 20 bis 30 Jahren allgemein bekannt ist.
Als neu ist lediglich die vorgeschlagene Methode der Kompensation der Oberflächenrauhheit anzusehen. Auch diese Methode bezieht sich aber auf Mikrowellenstrukturen, deren in das Material hineinragende elektromagnetisches Feld genutzt wird.
Gemäß den Ausführungen auf Seite 29 und in den Ansprüchen sollen diese Felder vorzugsweise parallel zur Oberfläche gerichtet sein. Eine Wellenausbreitung in das Material hinein wird nicht beschrieben. Diese Druckschrift bezieht sich damit nur auf Anordnungen, bei denen zur Bestimmung von Materialeigenschaften in das Material hineinreichende elektromagnetische Felder genutzt werden.
Es werden keine Anordnungen beschrieben, bei denen Streufeldanordnungen und Strahlungsfeldanordnungen kombiniert für die Gewinnung von Tiefeninformationen eingesetzt werden. Es werden weiter keine Verfahren oder Anordnungen beschrieben, die mit senkrecht zur Materialoberfläche oder in einem Winkel ausserhalb der Parallelen zur Oberfläche in das Material abgestrahlten elektromagnetischen Wellen arbeiten.
Elektromagnetische Felder, die eine Wirkung im freien Raum haben und somit zur Materialuntersuchung geeignet sind, können von allen offenen elektromagnetischen Strukturen erzeugt werden, unter anderem auch von den in WO 2005/043142 A2 beschriebenen Planarresonatoren oder von elektromagnetische Wellen führenden Leiterstrukturen. Elektromagnetische Weilen, die senkrecht oder im Winkel in das Material abstrahlen und somit auf der Basis der Wellenausbreitung zur Materialuntersuchung geeignet sind, können nur von Strahlungsfeldanordnungen wie z. B. Antennen erzeugt werden. Derartige Aussagen werden aber in WO 2005/043142 A2 weder im beschreibenden Teil noch in den Ansprüchen gemacht.
Weiterhin werden die in WO 2005/043142 A2 beschriebenen elektromagnetischen Felder zweier Sensoren nur zur Korrektur der Eigenschaften der oberen Fläche und speziell deren Rauheit genutzt. Die über die obere Fläche gewonnene Information ist daher keine Nutzinformation im eigentlichen Sinne, sondern dient lediglich als Korrekturgrösse für die darunterliegende Schicht.
Insofern beschreibt WO 2005/043142 A2 lediglich die Erfassung der Eigenschaften einer Schicht und ein Korrekturverfahren hierzu.
Die Druckschrift JP 06181997 A beschreibt eine technische Lösung, bei der mit verschiedenen Frequenzen gearbeitet wird, die von mehreren Mikrowellenantennen abgestrahlt und von mehreren Mikrowellenantennen vorbestimmter Wellenlänge empfangen werden.
Druckschrift JP 06181997 A beschreibt eine Anordnung, bei der zur Gewinnung von Parameter in der Tiefe organischen Gewebes die Frequenz variiert wird. Um eine nennenswert unterschiedliche Wirkung in unterschiedlichen Tiefen erzielen zu können, ist eine technisch aufwendige Anregung der beschriebenen Anordnung mit einer breitbandigen Signalquelle und eine technisch aufwendige breitbandige Signalauswertung nötig.
Weiterhin ist bei der Erfindung nach Druckschrift JP 06181997 A die maximale Tiefe, in der elektromagnetische Wellen noch wirken können, durch die Verwendung von Microstrip– Antennen bzw. genauer benannt Patch–Antennen prinzipbedingt begrenzt. Diese weisen zwar frequenzabhängig veränderliche Eindringtiefen, ansonsten aber annähernd gleiche Abstrahlungscharakteristiken auf.
Weiterhin unterliegt die in Druckschrift JP 06181997 A beschriebene technische Lösung auch aufgrund der sich mit unterschiedlicher Frequenz verändernden geometrischen Abmessungen der Microstrip- oder Patch-Antennen erheblichen Beschränkungen. Für größere Eindringtiefen werden die Antennen sehr groß, so dass die Realisierbarkeit einer entsprechenden technischen Vorrichtung stark eingeschränkt wird.
Weiterhin ist bei der technischen Lösung nach Druckschrift JP 06181997 A der Tiefenbereich, in dem die Wirkung elektromagnetischer Wellen durch Frequenzvariation veränderbar gemacht werden, prinzipbedingt begrenzt. Zwar lassen sich theoretisch mit sehr großen Veränderungen der Frequenz auch stark unterschiedliche Tiefen erfassen. Allerdings kommt bei sehr großen Frequenzvariationen auch die Frequenzabhängigkeit der elektrischen Parameter des Gewebes zum Tragen (sogenannte Dispersion). Das heißt, es ändern sich auch die Eigenschaften des Meßobjekts, die ebenfalls maßgeblichen Einfluss auf die Tiefenwirkung der elektromagnetischen Wellen haben. Diese müssen für das einfache Funktionieren der Erfindung aber als nahezu konstant angenommen werden können. Es ist äußerst fraglich, ob eine reine Frequenzveränderung über einen großen Bereich tatsächlich auch zu einer Veränderung der Tiefenwirkung führt, denn die Variation der Frequenz und die Veränderung der elektrischen Objekteigenschaften können auch gegenläufig wirken, so daß die Eindringtiefe sich nicht erheblich ändert.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen bereit zu stellen, die die Tiefenwirksamkeit des Messens mittels hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen weiter verbessern und mehr als zweidimensionale Darstellungen nichtmetallischer Objekte ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass bei der Ermittlung von elektrischen und/oder magnetischen Messdaten des nichtmetallischen Objektes zumindest ein Mikrowellenapplikator mit Streufeldanordung und mindestens ein Mikrowellenapplikator mit Strahlungsfeldanordnung eingesetzt werden, welche sich bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik und damit bezüglich ihrer Tiefenwirkung unterscheiden. Deren unterschiedliche Wichtung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Tiefenschichten wird bei der Auswertung der Messdaten berücksichtigt, so dass aus diesen Tiefeninformationen für mehr als zweidimensionale Darstellungen gewinnbar sind.
In Abhängigkeit vom jeweils zu untersuchenden nichtmetallischen Objekt sind insbesondere diesbezüglich entsprechende Mikrowellenapplikatoren auszuwählen, so dass aus den ermittelten Tiefeninformationen zweidimensionale Darstellungen gewinnbar sind.
Dabei wird mit einem Modell gearbeitet, welches das Untersuchungsobjekt in übereinander liegende Schichten mit bestimmter Dicke einteilt, die einer bestimmten Tiefenstufe zugeordnet sind. Diese Schichten werden Tiefenschicht genannt.
Als Tiefe der Tiefenschicht wird, wenn nicht anders definiert, jeweils deren Mittelpunkt in Richtung der Tiefenkoordinate angenommen. Über die Tiefenschichten wird jeweils eine zweidimensionale Parameterverteilung aufgenommen.
Innerhalb der Tiefenschichten wird die Verteilung der elektrischen und / oder magnetischen Parameter in Richtung der Tiefenkoordinate als bekannt angenommen oder vorgegeben und mit einer Verteilungsfunktion in Richtung der Tiefenkoordinate beschrieben.
Die Tiefenwirkung eines Mikrowellenapplikators gibt die Srärke der Wechselwirkung des elektrischen und/oder magnetischen Feldes des Mikrowellenapplikators mit dem Untersuchungsobjekt in Richtung der Tiefenkoordinate, d. h. in dessen Tiefenschichten, entsprechend deren elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften an. Sie ist verknüpft mit der Eindringtiefe des jeweiligen Mikrowellenapplikators.
Die Aufgabenstellung der Erfassung der inneren Struktur nichtmetallischer Objekte wird erfindungsgemäß durch die Ermittlung der Tiefeninformation mittels Kombination von Mikrowellensensoren mit verschiedenen Mikrowellenapplikatortypen, jedoch mit mindestens einem Mikrowellenapplikator mit Streufeldanordnung und mindestens einem Mikrowellenapplikator mit Strahlungsfeldanordnung, gelöst.
Dabei kann es sich um Streufeldanordnungen, wie zum Untersuchungsobjekt hin offene Leitungen oder Resonatoren, Strahlungsfeldanordnungen wie zum Untersuchungsobjekt hin offene Antennen und Mischformen aus Streufeldanordnungen und/oder Antennen, handeln. Diese weisen abhängig von

– ihrer Geometrie
– dem Verhältnis zwischen Wellenlänge der Messfrequenz und ihren geometrischen Dimensionen
– ihrer Kombination zu Zeilen oder Arrays
– den Eigenschaften des Materials des Untersuchungsobjekts

Dieses Verhalten lässt sich elektrophysikalisch auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen erfassen. Abgeleitet aus diesen Gleichungen kann beispielhaft für ein zugrunde gelegtes Kugelkoordinatensystem und einen angenommenen Elementarstrahler (Hertzscher Dipol) für die Transversalkomponente des elektrischen Feldes folgende Beziehung angegeben werden:
Wenn die Klammer ausmultipliziert wird, ergeben sich drei Summanden. Der erste Term stellt dabei das Fernfeld des Elementarstrahlers dar. Die beiden letzten Terme bestimmen das Nahfeld des Elementarstrahlers. Die Unterscheidung in Nahfeld und Fernfeld ergeben sich aus einer bekannten Definition in der elektromagnetischen Theorie.
Aus (1) ergibt sich, dass im Fernfeld das elektrische Feld mit 1/r abklingt, d. h.
während das Nahfeld mit 1/r² und sehr nah am Elementarstrahler mit 1/r³ abfällt. Damit verschwindet das Nahfeld in Abhängigkeit vom Abstand sehr viel schneller als das Fernfeld.
Vergleichbare Beziehungen lassen sich für die anderen Komponenten des elektrischen Feldes wie auch für die Komponenten des magnetischen Feldes ableiten, beispielsweise gemäß: Zinke, Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik. Springer–Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1965, S. 192 ff.
Für andere Formen von Antennen, für die es nahezu beliebig viele Formen gibt, werden elektrisches und magnetisches Feld beschrieben mittels der Abstrahlungs- oder Richtcharakteristik der Antenne in der jeweiligen Koordinatenrichtung. Für jede Koordinate kann eine Funktion F angegeben werden, die den Verlauf des elektrischen oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit von dieser Koordinate angibt. Bei Richtantennen äußert sich diese Eigenschaft darin, dass die in Hauptstrahlrichtung erzeugte Empfangsfeldstärke höher ist als bei einer Rundstrahlantenne. Diese Eigenschaft von Richtantennen wird beschrieben über den Gewinn, der immer auf ein Normal bezogen wird, z. B. einen Elementarstrahler oder den Kugelstrahler.
Als Eindringtiefe wird der mittlere Abstand der Volumenelemente im Halbraum vor der Antenne von der Applikatorfläche bezeichnet, die gerade noch eine signifikante Wirkung auf die Verteilung des elektrischen oder magnetischen Feldes haben. Diese hat bei reflektiv arbeitenden Anordnungen Auswirkungen auf die Strahlungsimpedanz der Antenne und damit auf ihre Fußpunktimpedanz respektive ihren Eingangsreflexionsfaktor.
Höhere Empfangsfeldstärke in der Hauptstrahlrichtung einer Richtantenne führt letztendlich zu höherer Eindringtiefe als für von einem Bezugsstrahler abgestrahlte Wellen. Hierdurch verändert sich auch die geometrische Lage von Nahfeld- und Fernfeldbereich in Hauptstrahlrichtung der Antenne in Abhängigkeit vom Antennentyp und seiner Abstrahlcharakteristik. Für unterschiedliche Antennentypen lassen sich daher unterschiedliche Eindringtiefen sowie verschieden große Zonen für Nahfeld und Fernfeld realisieren.
Anders formuliert bedeutet das, dass elektrische und magnetische Felder unterschiedlicher Antennentypen in gleichen Tiefenschichten eines Untersuchungsobjektes unterschiedlich wirken. So weist ein Halbwellendipol eine deutlich geringere Eindringtiefe auf als eine Patchantenne und diese wiederum eine geringere Eindringtiefe als eine Hornantenne.
Ähnliche Betrachtungen können angestellt werden für Streufeldanordnungen. Diese können gebildet werden durch am Ende offene Leitungen wie offene Koaxialleitungen oder Hohlleiter, durch entlang ihrer Längsrichtung zum Untersuchungsobjekt offene Strukturen wie beispielsweise Mikrostreifenleitungen oder durch offene Resonatoren wie z. B. offene Hohlraumresonatoren. Sie können auch gebildet werden durch spezielle Applikatoranordnungen gemäß der DE 197 29 730 C1 , die höhere Feldreichweiten ermöglichen als einfache Leitungsstrukturen und Resonatoren und bei denen durch Veränderung der Geometrie auch Veränderungen der Feldreichweite und damit der Eindringtiefe möglich sind.
Für die meisten Arten von Streifenleitungen lässt sich keine geschlossene analytische Feldtheorie angeben. Die üblicherweise verwendeten Parameter solcher Leitungen wurden auf der Grundlage empirischer Untersuchungen ermittelt. Insofern sind exakte Angaben zu den Feldverläufen des elektrischen und magnetischen Feldes kaum möglich. Jedoch lassen sich mit Hilfe von Analogiebetrachtungen Aussagen zur Abnahme des Feldes in Abhängigkeit vom Abstand zur Applikatoroberfläche machen.
Viele offene Leitungsstrukturen weisen nicht nur einen Hinleiter auf, wie dies für einen reinen Wellenleiter der Fall wäre, sondern auch einen Rückleiter. Sie sind zwar in vielen Fällen nicht symmetrisch, die Gesetzmäßigkeit des Feldabfalls in Abhängigkeit vom Abstand zur Applikatoroberfläche ähnelt aber der der offenen Zweidrahtleitung. Hier ergibt sich eine Abnahme des elektrischen und magnetischen Feldes mindestens mit
teilweise auch mit noch höherem Exponenten des Abstands.
Andere Strukturen wie z. B. am Ende offene Leitungen oder Hohlraumresonatoren weisen einen exponentiellen Abfall des elektrischen oder magnetischen Feldes auf.
Damit ist es möglich,

• Applikatoren aus Streufeldanordnungen unterschiedlicher Feldgeometrien und Feldreichweiten
• Applikatoren aus Strahlungsfeldanordnungen wie Antennen unterschiedlicher Richtcharakteristiken und Eindringtiefen
• Applikatoren aus Mischformen von Streufeldanordnungen und Antennen mit variierender Feldreichweite

Die kombinierte Anwendung derartiger Applikatoren führt zu einer unterschiedlichen Bewertung bzw. Wichtung gleicher Tiefenschichten eines Untersuchungsobjektes durch verschiedene Applikatoren.
In Abhängigkeit davon, ob die Messungen an einem Untersuchungsobjekt nulldimensional (Punktmessung), eindimensional (Linienmessung) oder zweidimensional (Rastermessung) ausgeführt wird, lässt sich dieser Umstand dafür nutzen, ein bis zu mehr als zweidimensionales Abbild des Inneren von zu untersuchenden Objekten zu erzeugen.
Dies erfolgt durch die Kombination verschiedener Applikatortypen, mindestens jedoch einer Streufeldanordnung und einer Strahlungsfeldanordnung, die entsprechend ihrer Tiefenwirkung abgestuft den zu untersuchenden Tiefenschichten zugeordnet werden, und die Aufnahme von Schichtbildern von verschiedenen Tiefenstufen im Inneren der untersuchten Objekte.
Derartige Schichtbilder können auf mehrere Arten gebildet werden.
Rechnerischer Weg:
Zum einen kann bei bekannter Feldgeometrie oder Richtcharakteristik der jeweils verwendeten Applikatoren die Stärke der Wechselwirkung des elektrischen und/oder magnetischen Feldes mit dem Material eines Untersuchungsobjekts für alle M Tiefenstufen berechnet werden.
Mikrowellenapplikatoren sind als Transducer zu betrachten. Sie wandeln – unabhängig vom Wechselwirkungsprinzip – die in dem Volumen des Untersuchungsobjektes, zu dem hin sie offen sind, integral erfassten elektrischen und magnetischen Materialeigenschaften in eine mit hochfrequenztechnischen Parameter beschreibbare skalare oder vektorielle Meßgröße (hier: Hochfrequenzparameter) um, beispielsweise in den Eingangsreflexionsfaktor des Applikators. Wesentlich ist, dass die Wechselwirkung im Messobjekt immer integraler Natur ist.
Aus den ermittelten hochfrequenztechnischen Messgrößen lässt sich im Umkehrschluss in bekannter Art und Weise auf die integralen Eigenschaften des Materials innerhalb des Wechselwirkungsvolumens des jeweiligen Applikators schließen.
Lösung Integralgleichungssystem:
Daher lässt sich für eine Anzahl von N unterschiedlichen Applikatoren mit bekannten Feldgeometrien oder Richtcharakteristiken ein System von mindestens N Integralgleichungen angeben, in dem jede dieser Integralgleichungen die Beziehung für die Abnahme des elektrischen und/oder magnetischen Feldes für den jeweiligen Applikatortyp liefert
Für den n-ten Mikrowellenapplikator (n = 1, 2, 3 ... N) werden die Integralgleichungen aus m (m = 1, 2, 3 ... M, m = n ∀ n ≤ M) bezüglich der Verteilungsfunktion der elektrischen und / oder magnetischen Parameter unterschiedlichen Raumbereichen entsprechend den erfassten m (m = 1, 2, 3 ... M) Tiefenschichten zusammengesetzt, wobei immer gilt M ≤ N.
Eine erste Berechnungsmöglichkeit besteht darin, dieses Integralgleichungssystem dahingehend aufzulösen, dass für jeden Applikator über die zugehörende Integralgleichung aus dem gemessenen Hochfrequenzparameter im Rückschluss die gesuchte elektrische und/oder magnetische Materialeigenschaft integral über die von dem Applikator erfassten Schichten erfasst wird.
Zweckmäßigerweise werden dabei die Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt. Die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und/oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht gehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend, in die Integralgleichung für den zweiten Applikator ein, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst. Sie tragen teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter bei. Sofern die Materialeigenschaften der zweiten Schicht vergleichbar der der ersten sind, wird der zweite Applikator ein Verhalten zeigen, dass dieser Gleichheit der Materialeigenschaften entspricht. Zeigt er ein davon abweichendes Verhalten, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht.
Diese Abweichung der Materialeigenschaften lässt sich beispielsweise durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermitteln. Hierzu werden die Materialeigenschaften solange variiert und erneut in die Integralgleichung eingesetzt und der im Ergebnis entstehende Hochfrequenzparameter mit dem gemessenen verglichen, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt.
Diese Prozedur wird für jede weitere Tiefenschicht wiederholt, wobei immer die ermittelten Materialeigenschaften der darüber liegenden Schichten in die Integralgleichung für die aktuelle Schicht als Startwerte mit eingehen.
Wellenmatrizen:
Aus den für die jeweiligen Applikatortypen bekannten Feldgeometrien oder Richtcharakteristiken können für jeden Applikatortyp und jede Schicht im Untersuchungsobjekt Wichtungsfaktoren abgeleitet werden, die die Wechselwirkung des elektrischen und/oder magnetischen Feldes des jeweiligen Applikators in der jeweiligen Tiefenstufe beschreiben. Die Wichtungsfaktoren beziehen sich dabei auf einen bestimmten Tiefenwert innerhalb der jeweiligen Tiefenstufe, beispielsweise den Mittelpunkt in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche.
Gemäß dem Modell der dielektrischen und/oder magnetischen Platte wird das Untersuchungsobjekt als aus M erfassbaren dielektrischen und/oder magnetischen Platten zusammengesetzt angenommen, wobei M die Zahl der Schichten ist.
Für jede zu untersuchende Schicht wird nach bekannten Regeln der elektromagnetischen Theorie eine Streumatrix oder eine andere geeignete Wellenmatrix aufgestellt. Diese beschreibt mit ihren Parameter die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Objekts. Die Wellenmatrix wird dabei für jeden Messort der null-, ein- oder zweidimensionalen Messung erstellt.
Die als Ergebnis dieser Berechnungen für jeden Messort in jeder Schicht entstehenden Streumatrizen werden mittels Kettenmatrizen oder anderen geeigneten Wellenmatrizen in eine Gesamt-Wellenmatrix eingebracht, welche das elektrische und/oder magnetische Gesamtverhalten des Untersuchungsobjekts über alle Tiefenstufen und damit die Wirkung auf den jeweiligen Mikrowellenapplikatortyp beschreibt. Die einzubringenden Wellenmatrizen werden dabei mit den ermittelten Wichtungsfaktoren gewichtet.
Ein Parameter der Gesamtmatrix ist dabei der zu messende Hochfrequenzparameter, beispielsweise der Reflexionsfaktor.
Mit Hilfe der z. B. aus Kettenmatrizen entstandenen Gesamt-Wellenmatrizen für verschiedene Applikatoren können gleiche Schichten mit unterschiedlichen Bewertungsfaktoren bezüglich ihrer elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften belegt werden. Dies führt zu einem System von N – (M – 1) Wellenmatrizen für jede Schicht, welches in den darin befindlichen Matrixelementen die gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parameter beinhaltet. Jeder Parameter in der tuten Schicht ist darin N – M mal überbestimmt. Die Auflösung dieses Systems von Matrizen führt zu einem Gleichungssystem für den oder die gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parameter, welches nach diesen Parametern aufgelöst werden kann.
Zweckmäßigerweise werden dabei die Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt. Die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und/oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht gehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend, in die Gesamt-Wellenmatrix für den zweiten Applikator ein, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst. Sie tragen teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter bei. Sofern die Materialeigenschaften der zweiten Schicht vergleichbar der der ersten sind, wird der zweite Applikator ein Verhalten zeigen, dass dieser Gleichheit der Materialeigenschaften entspricht. Zeigt er ein davon abweichendes Verhalten, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht.
Diese Abweichung der Materialeigenschaften lässt sich beispielsweise durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermitteln. Hierzu werden die Materialeigenschaften solange variiert und erneut in die Gesamt-Wellenmatrix eingesetzt und der im Ergebnis entstehende Hochfrequenzparameter mit dem gemessenen verglichen, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt.
Diese Prozedur wird für jede weitere Tiefenschicht wiederholt, wobei immer die ermittelten Materialeigenschaften der darüber liegenden Schichten in die Gesamtwellenmatrix für die aktuelle Schicht als Startwerte mit eingehen.
Empirische Methode:
Bei allen verwendeten N Applikatoren wird die Stärke des elektrischen oder magnetischen Feldes in einem bestimmten Abstand von der Applikatoroberfläche in Luft, im Material eines Untersuchungsobjekts oder in einem Modellmaterial für alle M Tiefenstufen in geeigneten Messaufbauten gemessen.
Für jeden Mikrowellenapplikatortyp wirkt sich gemäß seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik die Abnahme des elektrischen und / oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d. h. in der jeweiligen Tiefenstufe, unterschiedlich aus. Als Bezugspunkt innerhalb der Tiefenschicht gilt dabei der Mittelpunkt in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche.
Für jeden Applikatortyp werden ein oder mehrere seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik im jeweiligen Messaufbau entsprechende Wichtungsfaktoren für jede zu untersuchende Tiefenschicht berechnet.
Gemäß dem Modell der dielektrischen und/oder magnetischen Platte wird das Untersuchungsobjekt als aus M dielektrischen und/oder magnetischen Platten zusammengesetzt angenommen, wobei M die Zahl der Schichten ist.
Für jede zu untersuchende Schicht wird nach bekannten Regeln der elektromagnetischen Theorie eine Streumatrix oder eine andere geeignete Wellenmatrix aufgestellt. Diese beschreibt mit ihren Parametern die elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften des Objekts. Die Wellenmatrix wird dabei für jeden Messort der null-, ein- oder zweidimensionalen Messung erstellt.
Die als Ergebnis dieser Berechnungen für jeden Messort in jeder Schicht entstehenden Streumatrizen werden mittels Kettenmatrizen oder anderen geeigneten Wellenmatrizen in eine Gesamt-Wellenmatrix eingebracht, welche das elektrische und/oder magnetische Gesamtverhalten des Untersuchungsobjekts über alle Tiefenstufen und damit die Wirkung auf den jeweiligen Mikrowellenapplikatortyp beschreibt. Die einzubringenden Wellenmatrizen werden dabei mit den ermittelten Wichtungsfaktoren gewichtet.
Mit Hilfe der z. B. aus Kettenmatrizen entstandenen Gesamt-Wellenmatrizen für verschiedene Applikatoren können gleiche Schichten mit unterschiedlichen Bewertungsfaktoren bezüglich ihrer elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften belegt werden. Dies führt zu einem System von N – (M – 1) Wellenmatrizen für jede Schicht, welches in den darin befindlichen Matrixelementen die gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parameter beinhaltet. Jeder Parameter in der tuten Schicht ist darin N – M mal überbestimmt. Die Auflösung dieses Systems von Matrizen führt zu einem Gleichungssystem für den oder die gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parameter, welches nach diesen Parameter aufgelöst werden kann.
Zweckmässigerweise werden dabei die Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt. Die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und/oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht gehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend, in die Gesamt-Wellenmatrix für den zweiten Applikator ein, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst. Sie tragen teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter bei. Zeigt der zweite Applikator ein davon abweichendes Verhalten, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht.
Diese Abweichung der Materialeigenschaften lässt sich beispielsweise durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermitteln. Hierzu werden die Materialeigenschaften solange variiert und erneut in die Gesamt-Wellenmatrix eingesetzt und der im Ergebnis entstehende Hochfrequenzparameter mit dem gemessenen verglichen, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt.
Diese Prozedur wird für jede weitere Tiefenschicht wiederholt, wobei immer die ermittelten Materialeigenschaften der darüber liegenden Schichten in die Gesamtwellenmatrix für die aktuelle Schicht als Startwerte mit eingehen.
Ebenfalls können andere geeignete Rechenvorschriften zur Bildung nichtlinearer Differenzen, von gewichteten Summen oder gewichteten Produkten für eine Aussage über das elektrische und/oder magnetische Verhalten der jeweiligen Schicht unter Berücksichtigung des Einflusses des elektrischen und/oder magnetischen Verhaltens der zwischen der jeweiligen Schicht und der Oberfläche des jeweiligen Mikrowellenapplikators liegenden Schichten herangezogen werden.
Die Unteransprüche 2 bis 14 haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Besonders bevorzugt ist, dass zur Erfassung der Messdaten zumindest ein Mikrowellenapplikator mit zum nichtmetallischen Objekt hin offener Streufeldanordnung und ein Mikrowellenapplikator mit zum nichtmetallischen Objekt hin offener Strahlungsfeldanordnung verwendet werden.
Die Erfindung wird außerdem durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung von drei bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedlichen Mikrowellenapplikatoren und deren schematisch dargestellte Feldverläufe in Abhängigkeit vom Abstand zur Applikatorfläche in Richtung der Flächennormalen zu dieser Fläche und
2 eine schematische Darstellung eines Mobilscanners.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung drei bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedliche Mikrowellenapplikatoren 11, 12, 13 und deren schematisch dargestellte Feldverläufe in Abhängigkeit vom Abstand zur Applikatorfläche in Richtung der Flächennormalen zu dieser Fläche.
In den drei Diagrammen für die Feldverläufe ist I die Intensität des elektrischen und/oder magnetischen Feldes und r die Laufvariable für den Abstand zur Applikatorfläche in Richtung der Flächennormalen zu dieser Fläche.
Mikrowellenapplikator 11 (1.1) ist ein Streufeldapplikator mit zugehörigem Feldverlauf 14 (1.4).
Mikrowellenapplikator 15 (1.2) ist ein Strahlungsfeldapplikator mit geringer Bündelung und geringer Feldreichweite in Hauptstrahlrichtung mit zugehörigem Feldverlauf 15 (1.5). Mikrowellenapplikator 13 (1.3) ist ein Strahlungsfeldapplikator mit grösserer Bündelung und grösserer Feldreichweite in Hauptstrahlrichtung mit zugehörigem Feldverlauf 16 (1.6). Aus dem Vergleich der drei schematisch dargestellten Feldverläufe ergibt sich, dass die drei Mikrowellenapplikatoren 11, 12, 13 bei gleichem Abstand r = r₀ unterschiedliche Intensitäten des Feldes aufweisen und damit eine Tiefenschicht um die Tiefe r₀ von den drei Mikrowellenapplikatoren 11, 12, 13 unterschiedlich bewertet bzw. gewichtet wird.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Mobilscanner, der mit drei unterschiedlichen Meßeinheiten mit bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik drei unterschiedlichen Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23, welche integrale Messdaten aus unterschiedlichen Tiefenschichten des nichtmetallischen Objektes generieren, ausgerüstet ist. Die Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23 ermöglichen eine punktuelle, eindimensionale oder zweidimensionale Feuchtemessung an verschiedenen Objekten in beispielsweise drei Tiefenschichten.
An oder auf einem beweglichen Geräteträger 20 mit Rädern oder Rollen befinden sich die drei Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23 unterschiedlicher Feldgeometrie bzw. Abstrahlungscharakteristik, die jeweils zusammen mit herkömmlichen Mikrowellenschaltungen zur Auswertung ihrer Speisepunktimpedanz zu Messeinheiten zusammengefasst sind.
Die verwendeten Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel ein Streufeld–Leitungsresonator 21 mit einer Feldreichweite von ca. 3 cm und bekannter halbkugelförmiger Feldgeometrie, eine Planare Quadrupolantenne 22 mit einer Feldreichweite von ca. 10 cm und bekannter Abstrahlungscharakteristik sowie eine Patchantenne mit zusätzlichem Reflektor 23 mit einer Feldreichweite von ca. 25 cm und bekannter Abstrahlungscharakteristik.
Der Mobilscanner enthält an sich bekannte Mittel 24 zur Bestimmung seiner relativen Position von vorher bekannten Startkoordinaten aus, eine Auswerteeinheit 25 insbesondere für die Aufnahme der Messdaten der Messeinheiten und deren Prozessierung zu zweidimensionalen Verteilungen der Feuchte in einer Tiefenschicht, zur Gewinnung der Tiefeninformationen aus den drei Tiefenschichten sowie eine an sich bekannte Anzeigeeinheit 26 zur Visualisierung der von der Auswerteeinheit 25 kommenden Daten zur zweidimensionalen Feuchteverteilungen, der Tiefeninformationen und der daraus resultierenden mehr als zweidimensionalen Feuchteverteilung im Untersuchungsobjekt und eine Stromversorgung 27.
Die Erzeugung der Schichtbilder und Tiefeninformationen kann mittels der Auswerteeinheit 25, welche u. a. zumindest einen Mikroprozessor enthält, rechnerisch durch nichtlineare Berechnungen zur Bewertung eines Schichtbildes für jede der drei Tiefenschichten erfolgen. In diesen Berechnungen wird die für jeden der drei Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23 – gemäß seiner bekannten Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik – unterschiedliche Abnahme des elektrischen oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche zugrunde gelegt, d. h. insbesondere entsprechend der jeweiligen Tiefenschicht.
Die jeweils bekannte Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik der Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23 werden eingebracht in ein Integralgleichungssystem mit drei Integralgleichungen, so dass jede dieser Integralgleichungen die Beziehung für die Abnahme des elektrischen und magnetischen Feldes für den jeweiligen Applikator und seine Auswirkung auf dessen Fußpunktimpedanz in Abhängigkeit von den elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der darunter liegenden Tiefenschichten liefert.
Für die Planare Quadrupolantenne 22 werden die Integralgleichungen aus zwei bezüglich der Verteilungsfunktion der elektrischen und/oder magnetischen Parameter unterschiedlichen Raumbereichen entsprechend den erfassten Tiefenschichten zusammengesetzt. Für die Patchantenne mit zusätzlichem Reflektor 23 werden die Integralgleichungen aus drei bezüglich der Verteilungsfunktion der elektrischen und/oder magnetischen Parameter unterschiedlichen Raumbereichen entsprechend den erfassten Tiefenschichten zusammengesetzt.
Dieses Integralgleichungssystem wird für alle Applikatoren dahingehend aufgelöst, dass für jeden Applikator über die zugehörenden Integralgleichungen aus der gemessenen Fußpunktimpedanz im Rückschluss die gesuchte elektrische und / oder magnetische Materialeigenschaft integral über die von dem Applikator erfassten Schichten erfasst wird.
Zweckmäßigerweise werden die gesuchten Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt, da sie durch den Streufeld-Leitungsresonator direkt ermittelbar sind. Die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und / oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht gehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend und teilweise zu dessen gemessener Fußpunktimpedanz beitragend, ein in die Integralgleichungen für den zweiten Applikator, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst.
Sofern die Materialeigenschaften der zweiten Schicht vergleichbar der der ersten sind, wird der zweite Applikator ein Verhalten zeigen, dass dieser Gleichheit der Materialeigenschaften entspricht. Zeigt er ein davon abweichendes Verhalten, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht.
Eine Abweichung der gesuchten Materialeigenschaften wird durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermittelt, wozu die Materialeigenschaften solange in einem vorgegebenen Bereich plausibler Werte verändert und erneut in die Integralgleichung eingesetzt werden und die im Ergebnis bestimmte Fußpunktimpedanz mit der gemessenen verglichen wird, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt.
Diese Prozedur wird für die dritte Tiefenschicht wiederholt, wobei die ermittelten Materialeigenschaften der zwei darüber liegenden Schichten in die Integralgleichung des Patchantennen-Applikators 23 als Startwerte mit eingehen.
Die Erzeugung der Schichtbilder und Tiefeninformationen kann mittels der Auswerteeinheit 25 rechnerisch erfolgen durch nichtlineare Berechnungen zur Bewertung eines Schichtbildes für jede der drei Tiefenschichten, wobei in diesen Berechnungen zugrundegelegt wird die für jeden der drei Mikrowellenapplikatoren gemäß seiner bekannten Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedliche Abnahme des elektrischen und / oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d. h. entsprechend der jeweiligen Tiefenschicht.
Aus bekannter Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik der Mikrowellenapplikatoren 21, 22, 23 werden für jeden Applikatortyp und jede Schicht im Untersuchungsobjekt Wichtungsfaktoren abgeleitet, die die Wechselwirkung des elektrischen und / oder magnetischen Feldes des jeweiligen Applikators in der jeweiligen Tiefenschicht beschreiben.
Gemäß dem Modell der dielektrischen und / oder magnetischen Platte oder gemäß einem anderen geeigneten hochfrequenztechnischen Modell zur Beschreibung des Verhaltens von Schichten wird das Untersuchungsobjekt als aus drei dielektrischen und / oder magnetischen Platten zusammengesetzt angenommen.
Die Wichtungsfaktoren gehen ein in für jede der drei Schichten nach bekannten Regeln der elektromagnetischen Theorie jeweils aufgestellte Streumatrizen oder andere geeignete Wellenmatrizen, die mit ihren Parameter die elektrischen und / oder magnetischen Eigenschaften der Schicht des Objekts beschreiben und dabei für jeden Messort der null-, ein- oder zweidimensionalen Messung erstellt werden.
Die als Ergebnis dieser Berechnungen für jeden Messort in jeder Schicht entstehenden Streumatrizen werden mittels Kettenmatrizen oder anderen geeigneten Wellenmatrizen in eine Gesamt-Wellenmatrix eingebracht, welche das elektrische und / oder magnetische Gesamtverhalten des Untersuchungsobjekts über alle Tiefenschichten und damit die Wirkung auf den jeweiligen Mikrowellenapplikatortyp beschreibt. Ein Parameter einer jeden Gesamtmatrix kann zurückgeführt werden auf die zu messenden Fußpunktimpedanz des zugehörigen Applikators.
Aus dem entstehenden System von Wellenmatrizen kann nach dessen Auflösung nach den gesuchten elektrischen und / oder magnetischen Parametern eine Aussage über das elektrische und magnetische Verhalten der jeweiligen Schicht getroffen werden unter Berücksichtigung des Einflusses des elektrischen oder magnetischen Verhaltens der zwischen der jeweiligen Schicht und der Oberfläche des jeweiligen Mikrowellenapplikators liegenden Schichten.
Die Eigenschaften für die oberste Schicht werden zuerst ermittelt. Die im Ergebnis erhaltenen elektrischen oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht gehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend und teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter beitragend, in die Gesamt-Wellenmatrix für den zweiten Applikator ein, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst.
Eine Abweichung der gesuchten Materialeigenschaften wird durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermittelt, wozu die Materialeigenschaften solange in einem vorgegebenen Bereich plausibler Werte verändert und erneut in die Gesamt-Wellenmatrix eingesetzt werden und die im Ergebnis bestimmte Fußpunktimpedanz mit der gemessenen verglichen wird, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt.
Diese Prozedur wird für die dritte Tiefenschicht wiederholt, wobei die ermittelten Materialeigenschaften der zwei darüber liegenden Schichten in die Gesamt-Wellenmatrix des Patchantennen-Applikators 23 als Startwerte mit eingehen.
Die Erzeugung der Schichtbilder und Tiefeninformationen kann alternativ mittels der Auswerteeinheit 25 nach einem empirischen Verfahren erfolgen durch nichtlineare Berechnungen zur Bewertung eines Schichtbildes für jede der drei Tiefenschichten, wobei in diesen Berechnungen zugrundegelegt wird die für jeden der drei Mikrowellenapplikatoren gemäß seiner bekannten Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedliche Abnahme des elektrischen und / oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d. h. entsprechend der jeweiligen Tiefenschicht.
Diese Feldabnahme wird für jeden der drei Applikatoren empirisch ermittelt wird mit Hilfe von Messungen in geeigneten Messaufbauten. Als Messaufbauten eignen sich z. B. Modellmaterialien, die ausgeführt sind als dielektrische und / oder magnetische Platten mit einer Dicke entsprechend den gesuchten Tiefenschichten und bekannten elektrischen und / oder magnetischen Parameter. In diesen Platten befinden sich geeignete Sensoren zur Detektion der elektrischen und / oder magnetischen Felder der Applikatoren, die adäquat ausgewertet werden.
Aus der empirisch ermittelten Feldabnahme werden für jeden Applikator ein oder mehrere seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik im jeweiligen Untersuchungsobjekt entsprechende Wichtungsfaktoren für jede zu untersuchende Schicht berechnet.
Gemäß dem Modell der dielektrischen und / oder magnetischen Platte oder gemäß einem anderen geeigneten hochfrequenztechnischen Modell zur Beschreibung des Verhaltens von Schichten wird das Untersuchungsobjekt als aus drei dielektrischen und / oder magnetischen Platten zusammengesetzt angenommen.
Die Wichtungsfaktoren gehen ein in für jede der drei Schichten nach bekannten Regeln der elektromagnetischen Theorie jeweils aufgestellte Streumatrizen oder andere geeignete Wellenmatrizen, die mit ihren Parametern die elektrischen und / oder magnetischen Eigenschaften der Schicht des Objekts beschreiben und dabei für jeden Messort der null-, ein- oder zweidimensionalen Messung erstellt werden.
Die als Ergebnis dieser Berechnungen für jeden Messort in jeder Schicht entstehenden Streumatrizen werden mittels Kettenmatrizen oder anderen geeigneten Wellenmatrizen in eine Gesamt-Wellenmatrix eingebracht, welche das elektrische und / oder magnetische Gesamtverhalten des Untersuchungsobjekts über alle Tiefenschichten und damit die Wirkung auf den jeweiligen Mikrowellenapplikatortyp beschreibt. Ein Parameter einer jeden Gesamtmatrix kann zurückgeführt werden auf die zu messenden Fußpunktimpedanz des zugehörigen Applikators.
Aus dem entstehenden System von Wellenmatrizen kann nach dessen Auflösung nach den gesuchten elektrischen und / oder magnetischen Parametern eine Aussage über das elektrische und magnetische Verhalten der jeweiligen Schicht getroffen werden unter Berücksichtigung des Einflusses des elektrischen oder magnetischen Verhaltens der zwischen der jeweiligen Schicht und der Oberfläche des jeweiligen Mikrowellenapplikators liegenden Schichten.
Die Eigenschaften für die oberste Schicht werden zuerst ermittelt. Die im Ergebnis erhaltenen elektrischen oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht gehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend und teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter beitragend, in die Gesamt-Wellenmatrix für den zweiten Applikator ein, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst.
Eine Abweichung der gesuchten Materialeigenschaften wird durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermittelt, wozu die Materialeigenschaften solange in einem vorgegebenen Bereich plausibler Werte verändert und erneut in die Gesamt-Wellenmatrix eingesetzt werden und die im Ergebnis bestimmte Fußpunktimpedanz mit der gemessenen verglichen wird, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt.
Diese Prozedur wird für die dritte Tiefenschicht wiederholt, wobei die ermittelten Materialeigenschaften der zwei darüber liegenden Schichten in die Gesamt-Wellenmatrix des Patchantennen-Applikators 23 als Startwerte mit eingehen.
Die Aufstellung der vorgenannten Gleichungen erfolgt nach den bekannten diesbezüglichen mathematischen und physikalischen Regeln. Bei komplizierten Gegebenheiten werden ggf. Modelle verwendet, die eine ausreichende Annäherung an das jeweilige Problem ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Erfassung der inneren Struktur nichtmetallischer Objekte, wobei dieses Verfahren zumindest die Schritte einer Ermittlung von elektrischen und/oder magnetischen Parametern des nichtmetallischen Objektes aus der Auswertung von Messdaten von Mikrowellenapplikatoren umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Messdaten zumindest ein Mikrowellenapplikator mit Streufeldanordung und mindestens ein Mikrowellenapplikator mit Strahlungsfeldanordnung verwendet wird, wobei sich die Mikrowellenapplikatoren bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik und damit bezüglich ihrer Tiefenwirkung unterscheiden, deren unterschiedliche Wichtung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objekts bei der Auswertung der Messdaten berücksichtigt wird und aus deren Messdaten Tiefeninformationen für mehr als zweidimensionale Darstellungen gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Messdaten eine Auswerteeinheit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Messdaten zumindest ein Mikrowellenapplikator mit zum nichtmetallischen Objekt hin offener Streufeldanordnung und ein Mikrowellenapplikator mit zum nichtmetallischen Objekt hin offener Strahlungsfeldanordnung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der elektrischen und/oder magnetischen Tiefeninformationen aus der Auswertung der nulldimensional und/oder eindimensional und/oder zweidimensional senkrecht zur Richtung der Flächennormale aufgenommenen Verteilung der elektrischen und/oder magnetischen Parameter der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objekts erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objektes, außer der letzten, Tiefeninformationen erfasst werden, die mindestens einfach überbestimmt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Mikrowellenapplikatoren in dem Volumen des nichtmetallischen Objektes, zu dem hin sie offen sind, integral erfassten elektrischen und/oder magnetischen Messdaten in eine mit hochfrequenztechnischen Parametern beschreibbare skalare und/oder vektorielle Meßgröße, insbesondere Streuparameter, umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung dieser Tiefeninformationen auf der Erzeugung von jeweils zumindest einem Schichtbild zu unterschiedlichen Tiefenschichten des nichtmetallischen Objektes basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schichtbilder rechnerisch und/oder empirisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schichtbilder rechnerisch unter Verwendung von Integralgleichungssystemen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Integralgleichungssysteme mittels nichtlinearer Berechnungen zur Bewertung eines Schichtbildes für eine bestimmte Tiefenstufe verwendet werden, • wobei in diesen Berechnungen zugrunde gelegt wird die für jeden Mikrowellenapplikatortyp gemäss seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedliche Abnahme des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d. h. entsprechend der jeweiligen Tiefenstufe, • und diese Informationen über die Abnahme des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche für jeden Mikrowellenapplikator eingebracht werden in ein Integralgleichungssystem mit einer Zahl N der zugehörigen Integralgleichungen mindestens entsprechend der Anzahl M der zu erfassenden Tiefenschichten, so dass jede dieser Integralgleichungen die Beziehung für die Abnahme des elektrischen und/oder magnetischen Feldes für den jeweiligen Applikatortyp liefert, • wobei für den n-ten Mikrowellenapplikator (n = 1, 2, 3 ... N) die Integralgleichungen aus m (m = 1, 2, 3 ... M, m = n ∀ n ≤ M) bezüglich der Verteilungsfunktion der elektrischen und / oder magnetischen Parameter unterschiedlichen Raumbereichen entsprechend den erfassten m (m = 1, 2, 3 ... M) Tiefenschichten zusammengesetzt wird, • wobei dieses Integralgleichungssystem dahingehend aufgelöst wird, dass für jeden Applikator über die zugehörende Integralgleichung aus dem gemessenen Hochfrequenzparameter im Rückschluss die gesuchte elektrische und/oder magnetische Materialeigenschaft integral über die von dem Applikator erfassten Schichten erfasst wird, • wobei zweckmässigerweise die Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt werden und die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und/oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht eingehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend, in die Integralgleichung für den zweiten Applikator, der die oberste und eine darunter liegende Schicht integral erfasst, und teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter beitragen, • und sofern die Materialeigenschaften der zweiten Schicht vergleichbar der der ersten sind, wird der zweite Applikator ein Verhalten zeigen, dass dieser Gleichheit der Materialeigenschaften entspricht, sofern er ein davon abweichendes Verhalten zeigt, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht, • wobei diese Abweichung der Materialeigenschaften beispielsweise durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermitteln werden kann, wozu die Materialeigenschaften solange variiert und erneut in die Integralgleichung eingesetzt werden und der im Ergebnis entstehende Hochfrequenzparameter mit dem gemessenen verglichen wird, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt und • wobei diese Prozedur für jede weitere Tiefenschicht wiederholt wird, wobei immer die ermittelten Materialeigenschaften der darüber liegenden Schichten in die Integralgleichung des jeweiligen Applikators als Startwerte mit eingehen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schichtbilder rechnerisch unter Verwendung von Wellenmatrizen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schichtbilder rechnerisch unter Verwendung von Wellenmatrizen mittels nichtlinearer Berechnungen zur Bewertung eines Schichtbildes für eine bestimmte Tiefenstufe erfolgt, • wobei in diesen Berechnungen zugrunde gelegt wird die für jeden Mikrowellenapplikatortyp gemäß seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedliche Abnahme des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d. h. entsprechend der jeweiligen Tiefenstufe, • aus denen für die jeweiligen Applikatortypen für jeden Applikatortyp und jede Schicht im Untersuchungsobjekt Wichtungsfaktoren abgeleitet werden, die die Wechselwirkung des elektrischen und/oder magnetischen Feldes des jeweiligen Applikators in der jeweiligen Tiefenstufe beschreiben und die Wichtungsfaktoren sich dabei auf einen bestimmten Tiefenwert innerhalb der jeweiligen Tiefenstufe beziehen, insbesondere den Mittelpunkt in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, • wobei gemäß dem Modell der dielektrischen oder magnetischen Platte oder gemäß einem anderen geeigneten hochfrequenztechnischen Modell zur Beschreibung des Verhaltens von Schichten das Untersuchungsobjekt als aus M dielektrischen oder magnetischen Platten zusammengesetzt angenommen, wobei M die Zahl der Schichten ist und • diese eingehen in für jede zu untersuchende Schicht nach bekannten Regeln der elektromagnetischen Theorie jeweils aufgestellte Streumatrizen oder andere geeignete Wellenmatrizen, die mit ihren Parametern die elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Schicht des Objekts beschreiben und dabei für jeden Messort der nulldimensional und/oder eindimensional und/oder zweidimensional senkrecht zur Richtung der Flächennormale aufgenommenen Verteilung der elektrischen und/oder magnetischen Parameter der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objekts erstellt werden, • wobei die als Ergebnis dieser Berechnungen für jeden Messort in jeder Schicht entstehenden Streumatrizen mittels Kettenmatrizen oder anderen geeigneten Wellenmatrizen in eine Gesamt-Wellenmatrix eingebracht werden, welche das elektrische und/oder magnetische Gesamtverhalten des Untersuchungsobjekts über alle Tiefenstufen und damit die Wirkung auf den jeweiligen Mikrowellenapplikatortyp beschreibt, • wobei die einzubringenden Wellenmatrizen für jeden Applikatortyp mit den ermittelten Wichtungsfaktoren gewichtet werden, • wobei ein Parameter einer jeden Gesamtmatrix der zu messende Hochfrequenzparameter eines jeden Applikatortyps ist, beispielsweise der Reflexionsfaktor, • so dass hieraus über geeignete Rechenvorschriften wie z. B. die Auflösung des entstehenden Systems von Wellenmatrizen nach den gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parametern eine Aussage über das elektrische und/oder magnetische Verhalten der jeweiligen Schicht unter Berücksichtigung des Einflusses des elektrischen und/oder magnetischen Verhaltens der zwischen der jeweiligen Schicht und der Oberfläche des jeweiligen Mikrowellenapplikators liegenden Schichten entsteht, • wobei zweckmässigerweise die Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt werden und die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und/oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht eingehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend, in die Gesamt Wellenmatrix für den zweiten Applikator, der die oberste und eine darunterliegende Schicht integral erfasst, und teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter beitragen, • und sofern die Materialeigenschaften der zweiten Schicht vergleichbar der der ersten sind, wird der zweite Applikator ein Verhalten zeigen, dass dieser Gleichheit der Materialeigenschaften entspricht, sofern er ein davon abweichendes Verhalten zeigt, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht, • wobei diese Abweichung der Materialeigenschaften beispielsweise durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermitteln werden kann, wozu die Materialeigenschaften solange variiert und erneut in die Gesamt-Wellenmatrix des jeweiligen Applikators eingesetzt werden und der im Ergebnis entstehende Hochfrequenzparameter mit dem gemessenen verglichen wird, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt, • wobei diese Prozedur für jede weitere Tiefenschicht wiederholt wird, wobei immer die ermittelten Materialeigenschaften der darüberliegenden Schichten in die Gesamt-Wellenmatrix des jeweiligen Applikators als Startwerte mit eingehen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schichtbilder empirisch unter Verwendung von Wellenmatrizen mittels nichtlinearer Berechnungen zur Bewertung eines Schichtbildes für eine bestimmte Tiefenstufe erfolgt, • wobei in diesen Berechnungen zugrunde gelegt wird die für jeden Mikrowellenapplikatortyp gemäss seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik unterschiedliche Abnahme des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Abstand in Richtung der Flächennormalen zur Applikatorfläche, d. h. entsprechend der jeweiligen Tiefenstufe, • wobei diese Feldabnahme für jeden Applikatortyp empirisch ermittelt wird mit Hilfe von Messungen in geeigneten Messaufbauten, • woraus für jeden Applikatortyp ein oder mehrere seiner Feldgeometrie oder Abstrahlungscharakteristik im jeweiligen Untersuchungsobjekt entsprechende Wichtungsfaktoren für jede zu untersuchende Schicht berechnet werden, • wobei gemäss dem Modell der dielektrischen oder magnetischen Platte oder gemäss einem anderen geeigneten hochfrequenztechnischen Modell zur Beschreibung des Verhaltens von Schichten das Untersuchungsobjekt als aus M dielektrischen oder magnetischen Platten zusammengesetzt angenommen wird, wobei M die Zahl der Schichten ist, • die eingehen in für jede zu untersuchende Schicht nach bekannten Regeln der elektromagnetischen Theorie jeweils aufgestellte Streumatrizen oder andere geeignete Wellenmatrizen, die mit ihren Parametern die elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Schicht des Objekts beschreiben und dabei für jeden Messort der nulldimensional und/oder eindimensional und/oder zweidimensional senkrecht zur Richtung der Flächennormale aufgenommenen Verteilung der elektrischen und/oder magnetischen Parameter der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objekts erstellt werden, • wobei die als Ergebnis dieser Berechnungen für jeden Messort in jeder Schicht entstehenden Streumatrizen mittels Kettenmatrizen oder anderen geeigneten Wellenmatrizen in eine Gesamt-Wellenmatrix eingebracht werden, welche das elektrische und/oder magnetische Gesamtverhalten des Untersuchungsobjekts über alle Tiefenstufen und damit die Wirkung auf den jeweiligen Mikrowellenapplikatortyp beschreibt, • wobei die einzubringenden Wellenmatrizen für jeden Applikatortyp mit den ermittelten Wichtungsfaktoren gewichtet werden, • wobei ein Parameter einer jeden Gesamtmatrix der zu messende Hochfrequenzparameter eines jeden Applikatortyps ist, beispielsweise der Reflexionsfaktor, • so dass hieraus über geeignete Rechenvorschriften wie z. B. die Auflösung des entstehenden Systems von Wellenmatrizen nach den gesuchten elektrischen und/oder magnetischen Parametern eine Aussage über das elektrische und/oder magnetische Verhalten der jeweiligen Schicht unter Berücksichtigung des Einflusses des elektrischen und/oder magnetischen Verhaltens der zwischen der jeweiligen Schicht und der Oberfläche des jeweiligen Mikrowellenapplikators liegenden Schichten entsteht, • wobei zweckmässigerweise die Eigenschaften für die oberste Schicht zuerst ermittelt werden und die im Ergebnis erhaltenen elektrischen und/oder magnetischen Materialparameter der obersten Schicht eingehen, deren Einfluss auf das gesamte Wechselwirkungsvolumen beschreibend, in die Gesamt-Wellenmatrix für den zweiten Applikator, der die oberste und eine darunterliegende Schicht integral erfasst, und teilweise zu dessen gemessenem Hochfrequenzparameter beitragen, • und sofern die Materialeigenschaften der zweiten Schicht vergleichbar der der ersten sind, wird der zweite Applikator ein Verhalten zeigen, dass dieser Gleichheit der Materialeigenschaften entspricht, sofern er ein davon abweichendes Verhalten zeigt, so gibt es einen Unterschied in den Materialeigenschaften der zweiten Schicht im Vergleich zur obersten Schicht, • wobei diese Abweichung der Materialeigenschaften beispielsweise durch deren Variation innerhalb der zweiten Schicht rechnerisch ermitteln werden kann, wozu die Materialeigenschaften solange variiert und erneut in die Gesamt-Wellenmatrix des jeweiligen Applikators eingesetzt werden und der im Ergebnis entstehende Hochfrequenzparameter mit dem gemessenen verglichen wird, bis Übereinstimmung entstanden ist oder sich die Differenz innerhalb vorher festgelegter Fehlergrenzen bewegt, • wobei diese Prozedur für jede weitere Tiefenschicht wiederholt wird, wobei immer die ermittelten Materialeigenschaften der darüberliegenden Schichten in die Gesamt-Wellenmatrix des jeweiligen Applikators als Startwerte mit eingehen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit zumindest einem Mikrowellenapplikator mit Streufeldanordung und mindestens einem Mikrowellenapplikator mit Strahlungsfeldanordnung, wobei sich die Mikrowellenapplikatoren bezüglich ihrer Feldgeometrie und/oder Abstrahlungscharakteristik und damit bezüglich ihrer Tiefenwirkung unterscheiden, und zumindest einer Auswerteeinheit, die die unterschiedliche Wichtung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Tiefenschichten des nichtmetallischen Objekts durch die Mikrowellenapplikatoren bei der Auswertung der Messdaten der Mikrowellenapplikatoren berücksichtigt und aus den Messdaten der Mikrowellenapplikatoren Tiefeninformationen für mehr als zweidimensionale Darstellungen gewinnt.