DE102012020494B3

DE102012020494B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Rekonstruktion eines stetigen Permittivitätsverlaufes in Ausbreitungsrichtung einer elektromagnetischen Welle

Info

Publication number: DE102012020494B3
Application number: DE201210020494
Authority: DE
Inventors: Matthias Demming
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-10-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des stetigen Verlaufs der Permittivität eines Bereichs oder Objekts entlang der Ausbreitungsrichtung einer für eine Radarmessung eingesetzten elektromagnetischen Welle. Bei dem Verfahren wird eine Radarmessung zur Radarabbildung des Bereichs oder Objekts durchgeführt und die Radarmessdaten vorzugsweise als erstes kalibriert. Wenn möglich werden dann Informationen über den realen Verlauf aus den Radarmessdaten gewonnen und anhand dessen ein Modellverlauf der Permittivität des Bereichs oder Objekts entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle erstellt oder vorgegeben. Anschließend werden in einem iterativen Prozess theoretische Radarmessdaten auf Basis des Modellverlaufs berechnet, mit den gemessenen Radarmessdaten verglichen und der Modellverlauf variiert, bis die theoretischen Radarmessdaten innerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit mit den gemessenen Radarmessdaten übereinstimmen und ein stetiger Modellverlauf der Permittivität erhalten wird. Als Ergebnis wird dann der auf diese Weise erhaltene stetige Permittivitätsverlauf entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle dargestellt. Das Verfahren ermöglicht in gleicher Weise auch die Bestimmung des stetigen Feuchtigkeitsverlaufs entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des stetigen Verlaufs der Permittivität in Ausbreitungsrichtung einer für eine Radarmessung eingesetzten elektromagnetischen Welle, insbesondere über die Dicke eines Bereichs oder Objekts, bei dem eine Radarmessung zur Radarabbildung des Bereichs oder Objekts durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine Radarmesseinrichtung und eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist.
Die Bestimmung der Permittivität über die Dicke eines Objekts kann genutzt werden, um beispielsweise Materialinhomogenitäten innerhalb eines Objektes zu detektieren. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die automatische Detektion und Klassifikation von Substanzen innerhalb eines Objekts, die eine andere Permittivität besitzen als das Objekt selbst. Dies ist beispielsweise in der Bauwerksüberwachung von Interesse, um Einschlüsse aus Luft oder rostige Metallstangen zu finden. Auch die Feuchtigkeit in einem Objekt lässt sich mit einem derartigen Verfahren bestimmen, beispielsweise in Beton- oder Holzbauteilen. Die Bestimmung der Feuchtigkeit innerhalb von Materialien ist für einige Anwendungen wichtig, wie beispielsweise bei der Bauwerküberwachung, bei der Herstellung von Feuerbetonen oder bei der Herstellung von Holz-Möbeln.
Stand der Technik
Für die Bestimmung der Permittivität eines Objekts ist der Einsatz der Radartechnik bereits bekannt. Die bekannten Verfahren verwenden entweder Zeit- oder Frequenzbereichsdaten, um die Rekonstruktion der Permittivität und gegebenenfalls der Dicke des untersuchten Objekts zu gewährleisten. So beschreiben beispielsweise N. Gagnon et al., „Material characterization using a quasi-optical measurement system”, IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement, Vol. 52, No. 2, April 2003, Seiten 333 bis 336 ein Verfahren, bei dem die Permittivität mit Hilfe einer Transmissionsmessung für die gesamte Dicke des Objekts aus den Daten des Frequenzbereichs rekonstruiert wird. Eine Bestimmung eines stetigen Permittivitätsverlaufes über die Dicke des Objekts ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.
F. Gumbmann et al., „3D Millimeterwellen-Abbildung von dielektrischen Probekörpern und numerische Rekonstruktion der Materialeigenschaften”, DGZfP-Jahrestagung 2007 – Vortrag 83 in Fürth, Deutschland, 14. – 16. Mai 2007, nutzen ein Radarverfahren, bei dem die Bestimmung der Permittivität mit Hilfe einer Reflexionsmessung erfolgt. Bei diesem Verfahren wird an der ersten Grenzschicht des Objekts die Permittivität für das gesamte Objekt aus den Daten des Zeitbereichs bestimmt. In dieser Veröffentlichung wird auch auf die Nutzung eines Schichtmodells für eine Rekonstruktion der Permittivität in Fällen hingewiesen, in denen das Objekt aus unterschiedlichen Materialschichten besteht. Dabei können die einzelnen Schichtdicken und die mittlere Permittivität der einzelnen Schichten innerhalb des Objekts rekonstruiert werden. Eine Bestimmung eines stetigen Permittivitätsverlaufes über die Dicke der Schichten ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Permittivität eines Bereichs oder Objekts anzugeben, mit denen ein beliebiger Verlauf der Permittivität durchgängig über eine oder mehrere Dimension eines Bereichs oder Objekts ermittelt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung wird die Permittivität in Ausbreitungsrichtung einer für eine Radarmessung eingesetzten elektromagnetischen Welle über einen Bereich oder ein Objekt rekonstruiert. Es wird dabei ein stetiger Permittivitätsverlauf in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle bzw. der Radarwellen (Tiefenauflösung) erhalten, die beispielsweise bei Messung über die Dicke eines Objekts der Dickenrichtung entspricht. In gleicher Weise kann gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung die Feuchtigkeit in Dickenrichtung tiefenaufgelöst rekonstruiert werden. Im Folgenden wird unter der Dicke des Objekts oder Bereichs die Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung der zur Messung eingesetzten elektromagnetischen Welle verstanden.
Die Rekonstruktion des stetigen Permittivitätsverlaufs wird anhand von Modellannahmen und iterativer Rekonstruktionsverfahren realisiert. Dazu wird der Bereich oder das Objekt mit einem oder mehreren Radarsensoren erfasst und aus den Radarmessdaten der Radarsensoren eine Verteilung der Permittivität und gegebenenfalls der Feuchtigkeit innerhalb des Bereichs oder Objekts erstellt. Hierbei kann es sich um eine eindimensionale Verteilung nur in Ausbreitungsrichtung oder auch, bei entsprechender Abtastung des Bereichs oder Objekts mit den Radarsensoren, um eine zwei- oder dreidimensionale Verteilung handeln. Dabei kann der Bereich oder das Objekt sowohl in Reflexion als auch in Reflexion und Transmission erfasst werden. Weiterhin kann der Aufbau der Radarmesseinrichtung der vorgeschlagenen Vorrichtung sehr variabel gestaltet werden und beispielsweise eine horizontale und vertikale Messstrecke, eine zirkulare oder spiralförmige Messstrecke oder eine noch kompliziertere Messstrecke aufweisen. Bei dieser Vorrichtung können die Radarsensoren beweglich ausgeführt sein, um bei einem stationär gelagerten Objekt dieses entsprechend abtasten zu können. Es besteht auch die Möglichkeit, das Objekt bei stationärer Anordnung der Radarsensoren auf einem beweglichen Träger zu lagern. In einer anderen Ausgestaltung können auch sowohl Objekt als auch Radarsensoren während der Messung bewegt werden. Dies erfordert die Verwendung weiterer Sensoren, beispielsweise optischer Sensoren, um die spätere Rekonstruktion korrekt durchführen zu können. Es kann auch eine Kombination aus verschiedenen Sensoren, beispielsweise Ultraschall, verwendet werden, um den Verlauf zu rekonstruieren.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine Radarmessung zur Radarabbildung des Bereichs oder Objektes in Reflexion oder in Reflexion und Transmission von mindestens einer Seite des Bereichs oder Objekts durchgeführt, um Radarmessdaten des Bereichs oder Objekts zu erhalten. Die Radarmessdaten werden anschließend vorzugsweise kalibriert und weiter aufbereitet. Anschließend wird von dem Verfahren ein Permittivitätsverlauf innerhalb des Objekts angenommen. Es wird somit ein Modell des Objekts vorgegeben, das einen Modellverlauf der Permittivität über die Dicke des Objekts aufweist. Der Permittivitätsverlauf kann dabei sehr variabel angenommen werden und sich auf naturwissenschaftliche oder mathematische Eigenschaften beziehen, je nach Art, und a priori Wissen über das zu messende Objekt. Unter naturwissenschaftlichen Eigenschaften ist dabei zu verstehen, dass sich der Verlauf beispielsweise an einem typischen Permittivitätsverlauf von Wasser innerhalb des Objekts orientieren kann oder beispielsweise an einem typischen Permittivitätsverlauf eines bestimmten bekannten Objekts orientiert ist. Unter mathematischen Eigenschaften sind beispielsweise geometrische Formen zu verstehen, wie eine Gerade oder ein Sinus, nach denen der Permittivitätsverlauf angenommen werden kann. In der bevorzugten Ausgestaltung werden anhand einer internen Datenbank oder durch a priori Wissen über das Objekt zusätzlich zum Verlauf der Permittivität auch eine Dicke des Objekts und die Verluste für das Material innerhalb des Objekts angenommen. Diese und die nachfolgenden Ausführungen gelten in gleicher Weise für einen Bereich anstelle eines Objekts.
Im nächsten Verarbeitungsschritt kann der angenommene Permittivitätsverlauf zwischen den Grenzschichten des Objekts anhand der gewonnenen Radarmessdaten korrigiert werden. So können Sprünge in der Permittivität innerhalb eines Objekts in den Radarmessdaten erkannt werden. Treten derartige Sprünge auf, so wird das Modell entsprechend angepasst, beispielsweise eine zusätzliche Grenzschicht eingeführt. Durch diese Korrektur wird ein optimaler stetiger Permittivitätsverlauf innerhalb eines Objekts interpoliert. Ist die Dicke des Objekts nicht als a priori Wissen vorhanden, so wird diese in diesem Schritt ebenfalls aus den Radardaten extrahiert. Vorzugsweise wird aus den Radarmessdaten nicht nur die Position sondern auch die Breite von Reflexionspeaks bestimmt. Diese Breite der Reflexionssignale stellt ein Maß für die Steilheit der zugehörigen Permittivitätsänderung dar und wird vorzugsweise bei der Erstellung des Modellverlaufs genutzt, um die Steilheit der zugeordneten Permittivitätsänderung im Modellverlauf vorzugeben.
Mit den Annahmen des Permittivitätsverlaufes, der Objektdicke und der Verluste des Materials werden dann theoretische Radarmessdaten des Objekts für den Zeit- und/oder Frequenzbereich errechnet und mit den realen Radarmessdaten verglichen. Im nächsten Schritt wird iterativ der Permittivitätsverlauf variiert, bis die daraus errechneten theoretischen Radarmessdaten innerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit mit den realen Radarmessdaten übereinstimmen. Ist dies der Fall, ist der stetige Permittivitätsverlauf innerhalb des untersuchten Objekts gefunden. Die Berechnung der theoretischen Radarmessdaten erfolgt in bekannter Weise auf Basis der Informationen über die Messparameter (Frequenzen, Amplitude) und des erstellten Verlaufsmodells. Für die iterative Variation kann beispielsweise ein mathematisches Optimierungsverfahren eingesetzt werden. Derartige Verfahren sind dem Fachmann bei der iterativen Anpassung von Modellen an Messdaten bekannt. Der auf diese Weise ermittelte stetige Permittivitätsverlauf bzw. die in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle tiefenaufgelöste Permittivität wird dann in geeigneter Weise, beispielsweise an einem Bildschirm, dargestellt. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren des Standes der Technik wird somit nicht ein Permittitvitätsverlauf mit schichtweise konstanter Permittivität und entsprechenden Stufen (Unstetigkeiten) zwischen den Schichten erhalten, sondern ein über die gesamte Dicke stetiger Permittiviätsverlauf, der in der Regel auch über einzelne Materialschichten nicht konstant ist und dem realen Permittivitätsverlauf wesentlich näher kommt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein stetiger Verlauf der Permittivität rekonstruiert werden, der einen bessere Auflösung besitzt, d. h. kleinere Strukturen auflösen kann, als sie durch die Messparameter der Radarmessung vorgeben sind. Dies resultiert daraus, dass die Stützwerte bei der Vorgabe und Anpassung des Modellverlaufs, d. h. die Punkte, durch die der Modellverlauf gebildet wird, unabhängig von den Messparametern gewählt werden und der Modellverlauf dann lediglich noch durch Vergleich theoretischer mit den realen Messdaten angepasst wird.
Die Dicke des Objekts wird bei dem vorgegebenen Modell während des iterativen Rekonstruktionsverfahrens nur dann variiert, wenn sie nicht bereits vorher bekannt ist. Lediglich bei Fehlen der Information über die Dicke berechnet der Algorithmus eigenständig die annähernde Dicke des Objekts aus den Radarmessdaten, die dann iterativ an die reale Dicke angepasst wird.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich der reale (stetige) Permittivitätsverlauf über die Dicke eines Objekts bestimmen. Durch geeignete Abtastung des Objekts ist auch die zwei- oder dreidimensionale ortsaufgelöste Bestimmung der Permittivität möglich. Bei einer zwei- oder dreidimensionalen Rekonstruktion besteht die Möglichkeit, die Informationen aller Messpunkte zur Erstellung des Modellverlaufs heranzuziehen. So können bspw. jeweils die Informationen der benachbarten Messpunkte genutzt werden, um den Verlauf im aktuellen Messpunkt zu korrigieren und/oder zu erstellen. So kann bspw. die Abweichung zu den benachbarten (eindimensionalen) Modellverläufen berechnet werden, um ein Indiz der Korrektheit des Modellverlaufes im aktuellen Messpunkt zu bestimmen. Denn die Abweichungen zu benachbarten Modellverläufen werden in der Regel nicht sehr groß sein. Erstellt werden könnte der Modellverlauf im aktuellen Messpunkt bspw. aus der Interpolation und/oder der Mittelung der benachbarten Modellverläufe. Es besteht auch die Möglichkeit, einen zweidimensionalen oder dreidimensionalen Modellverlauf vorzugeben oder zu erstellen und diesen dann in gleicher Weise wie beim obigen eindimensionalen Modellverlauf anzupassen bis ein stetiger Modellverlauf erhalten wird, bei dem die daraus berechneten theoretischen Radarmessdaten mit einer vorgegebenen Genauigkeit mit den gemessenen Radarmessdaten übereinstimmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Vermessung eines feuchten Objekts durch Vergleich des ermittelten Permittivitätsverlaufes mit dem Permittivitätsverlauf eines identischen trockenen Objekts auch der stetige Feuchtigkeitsverlauf über die Dicke bestimmt. Dazu wird der von dem feuchten Objekt rekonstruierte stetige Permittivitätsverlauf in Relation zum Permittivitätsverlauf des trockenen Objekts gesetzt. Aus den Permittivitätsunterschieden dieser beiden Verläufe wird die Feuchtigkeit bestimmt, da ein direkter Zusammenhang zwischen steigender Feuchtigkeit und steigender Permittivität besteht. So gibt die Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) die Durchlässigkeit eines Materials für das elektrische Feld an. Steigende Feuchtigkeit bedeutet, dass der Wasseranteil in dem Material steigt. Werden zwei Materialien wie hier (Wasser und Material des Objekts) gemischt, ergibt sich die Permittivität des gemischten Materials in etwa aus dem Mittel der beiden einzelnen Permittivitäten. Wasser besitzt mit 80 F/m eine deutlich höhere Permittivität, als die meisten trockenen Materialien (z. B. Holz ca. 2 – 3.5 F/m oder Kunststoff ca. 2–5 F/m). Dadurch wirken sich schon kleine Feuchtigkeitsschwankungen deutlich in der Permittivität aus. Wenn nun die Permittivität des trockenen Materials bekannt ist und die Permittivität des feuchten Materials rekonstruiert wurde, kann aus der Differenz der Permittivität der Anteil des Wassers (Feuchtegehalt) bestimmt werden. Dies wird beim vorliegenden Verfahren ausgenutzt. In der Praxis werden hierzu Lookup-Tabellen erstellt, mit denen der Permittivitäts-Wert des feuchten Materials umgerechnet wird. Dafür wird die Permittivität des feuchten Materials mit einem berührungsfreien und zerstörungsfreien Verfahren rekonstruiert und anschließend mit einem standardisierten Verfahren der wahre Feuchtigkeitsgehalt bestimmt. Der Umrechnungsfaktor wird dann in die Tabelle geschrieben. Dies kann auch zwei- oder dreidimensional erfolgen.
Der Permittivitätsverlauf des trockenen Objekts kann beispielsweise über eine interne Datenbank der vorgeschlagenen Vorrichtung oder auch durch a priori Wissen dem Verfahren bereitgestellt werden. Vorzugsweise werden hierzu bei der Anwendung des Verfahrens die jeweils für unterschiedliche Objekte ermittelten Permittivitätsverläufe sowie bekannte Eigenschaften oder Parameter der Objekte in der internen Datenbank gespeichert, damit diese bei einer späteren Messung eines identischen Objekts zur Verfügung stehen, beispielsweise um die Feuchtigkeit eines vermessenen Objektes zu rekonstruieren. In gleicher Weise wird eventuell vorhandenes a priori Wissen, das bei der Durchführung des Verfahrens benutzt wird, automatisch in der internen Datenbank abgespeichert.
Bei dem Verfahren können sowohl die Radarmessdaten im Frequenz- als auch im Zeitbereich genutzt werden. Vorzugsweise werden sowohl Frequenz- als auch Zeitbereichsdaten für die Anpassung des Modells genutzt. In einer weiteren Ausgestaltung werden mehrere Radarsensoren mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln für die Radarabbildung des Objekts eingesetzt. Durch die Nutzung mehrerer Radarsensoren mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln werden mehr Informationen über das Innere des Objekts gewonnen als bei Einsatz von Radarsensoren mit gleichem Öffnungswinkel, so dass die Erstellung des Modells dadurch vereinfacht wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Radarmesseinrichtung mit einem oder mehreren Radarsensoren, mit der eine Radarmessung zur Radarabbildung eines zu vermessenden Bereiches oder Objektes in Reflexion oder in Reflexion und Transmission von zumindest einer Seite des Bereichs oder Objekts durchführbar ist, um Radarmessdaten des Bereichs oder Objekts zu erhalten. Die Ermittlung des stetigen Permittivitätsverlaufs erfolgt dann gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einer mit der Radarmesseinrichtung verbundenen Datenverarbeitungseinrichtung, die die einzelnen Verfahrensschritte durchführt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat diese Datenverarbeitungseinrichtung Zugriff auf eine (interne) Datenbank der vorgeschlagenen Vorrichtung, in der Bereichs-, Objekt- und/oder Materialdaten von Bereichen oder Objekten abgespeichert sind, aus der die Datenverarbeitungseinrichtung für die Durchführung der Berechnungen geeignete Bereichs-, Objekt- und/oder Materialdaten und/oder vorgegebene Modellverläufe der Permittivität von Bereichen oder Objekten und/oder Modellparameter abrufen kann. Dies gilt auch für eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der der stetige Feuchtigkeitsverlauf über die Dicke des Bereichs oder Objekts bestimmt wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung ruft hierbei einen abgespeicherten stetigen Permittivitätsverlauf eines trockenen identischen Bereichs oder Objekts aus der Datenbank ab. Die Vorrichtung umfasst schließlich vorzugsweise noch eine Visualisierungseinrichtung, in der der durch die Datenverarbeitungseinrichtung berechnete stetige Permittivitäts- oder Feuchtigkeitsverlauf dargestellt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Beispiel für Verfahrensschritte zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
2 ein zweites Beispiel für Verfahrensschritte zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie für einen Aufbau einer zur Durchführung des Verfahrens ausgebildeten Vorrichtung;
3 ein Beispiel für die Schritte zur Durchführung der Rekonstruktion;
4 ein erstes Beispiel für eine Anordnung zur Radarabbildung eines Objekts für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
5 ein zweites Beispiel für eine Anordnung zur Radarabbildung eines Objekts für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
6 ein drittes Beispiel für eine Anordnung zur Radarabbildung eines Objekts für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
7 ein viertes Beispiel für eine Anordnung zur Radarabbildung eines Objekts für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
8 ein fünftes Beispiel einer Anordnung zur Radarabbildung eines Objekts für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; und
9 ein sechstes Beispiel einer Anordnung zur Radarabbildung eines Objekts für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
10 eine Seitenansicht eines beispielhaften Messaufbaus;
11 ein Beispiel eines realen Permittivitätsverlaufes entlang der Ausbreitungsrichtung der Radarwelle;
12 ein Beispiel von Reflexionen entlang der Ausbreitungsrichtung der Radarwelle;
13 ein Beispiel für aufgenommene Messdaten im Zeitbereich;
14 die Messdaten der 13 nach der Kalibrierung;
15 die Messdaten der 14 nach der Aufbereitung;
16 die Messdaten der 13 nach Kalibrierung und Aufbereitung;
17 ein Beispiel für die Initialisierung des Verlaufsmodells;
18 ein Beispiel für eine erste Anpassung des Verlaufsmodells;
19 ein Beispiel für eine zweite Anpassung des Verlaufsmodells;
20 ein Beispiel für eine iterative Anpassung des Verlaufsmodells;
21 ein Beispiel für den ermittelten Feuchtigkeitsverlauf.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren ist in stark schematisierter Darstellung in 1 nochmals zusammengefasst. Die Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens lassen sich in die Schritte der Aufnahme 5 der Messdaten und des a priori Wissens, der Datenverarbeitung 6 sowie der Darstellung 7 der Ergebnisse untergliedern. Im ersten Schritt 5 werden die Rohdaten 1 der Radarsensoren sowie Informationen 2 über das Objekt bereitgestellt und der Datenverarbeitung 6 zugeführt. Die Datenverarbeitung umfasst Algorithmen 3 zur Rekonstruktion des stetigen Permittivitäts- und gegebenenfalls Feuchtigkeitsverlaufs in Ausbreitungsrichtung der zur Messung eingesetzten Radarwellen und hat Zugang zu einer Datenbank 39 mit den Parametern verschiedener Objekte. Aus dieser Datenbank 39 kann auch ein Teil der Informationen 2 über das Objekt stammen, die dann den Algorithmen 3 für die Rekonstruktion zugeführt werden. Durch die Datenverarbeitung wird ein 3D-Modell der ortsaufgelösten Permittivität und gegebenenfalls Feuchtigkeit über das Objekt erhalten, das im letzten Schritt 7 entsprechend dargestellt wird.
2 zeigt einen schematischen Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung sowie der einzelnen Verfahrensschritte des Verfahrens anhand eines weiteren Beispiels. Die Vorrichtung umfasst hierbei mindestens einen Radarsensor 9, der in diesem Beispiel in der Messszene 17 das Objekt 8 entlang zweier mechanischer Messstrecken 40 abtastet. In diesem Beispiel ist eine Abtastung in zwei zueinander senkrechten Richtungen entsprechend x- bzw. y-Koordinaten dargestellt. Die mechanischen Messstrecken können beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung jedoch beliebig verlaufen.
Die von der Radarmesseinrichtung erhaltenen Radarmessdaten werden einem Vorverarbeitungsmodul 11 der Datenverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt. In diesem Vorverarbeitungsmodul 11 erfolgt die Kalibrierung der Messwerte, indem die Bereiche vor und hinter der Probe heraus kalibriert werden. Selbstverständlich kann hierbei auch die in der Radartechnik übliche Kalibrierung zur Eliminierung von Störungen (Reflexionen) durch das System, Antenne(n) und Nahfeldeffekte erfolgen. Auf Basis der vorverarbeiteten Radarmessdaten erfolgt dann die Rekonstruktion 13 der Permittivität und Feuchtigkeit in Ausbreitungsrichtung der eingesetzten Radarwellen. Hierzu werden aus einem Materialmodul 12 mit a priori Wissen 10 über das Objekt und einer Datenbank 39 mit den Parametern verschiedener Objekte die für die Rekonstruktion erforderlichen Informationen abgerufen. Nach der Rekonstruktion der Permittivität und gegebenenfalls Feuchtigkeit wird das Ergebnis ebenfalls in der Datenbank 39 abgelegt. Gleichzeitig erfolgt eine 3D-Darstellung 15 der ortsaufgelösten Ergebnisse innerhalb des Objekts. Weiterhin können automatische Detektoren 14 eingesetzt werden. Automatische Detektoren sind Algorithmen, die auf Basis der rekonstruierten Verläufe (2D und 3D) automatisch nach bestimmten Merkmalen (Materialien) suchen. So kann z. B. ein automatischer Detektor nach Lufteinschlüssen in Beton suchen.
Als Ergebnis kann dieser dann dem Anwender automatisch darstellen, wo die Lufteinschlüsse sind.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden ein oder mehrere Algorithmen für die Durchführung der Rekonstruktion eingesetzt. Die durch diese Algorithmen durchgeführten Verfahrensschritte sind anhand der 3 beispielhaft dargestellt. Zunächst erfolgt eine Kalibrierung 19 der Messwerte im Zeitbereich. Liegen die Messwerte nicht im Zeitbereich vor, werden sie in einem vorangehenden Schritt 18 mit gängigen Verfahren dahin transformiert. Wenn Reflexionen im Zeitbereich in den Messwerten vorhanden sind (Alternative 20), erfolgt zunächst eine Aufbereitung 22 der Messwerte und eine Extraktion 23 dieser Reflexions-Informationen aus den Messwerten, um für die Erstellung 24 des Verlaufsmodells einen möglichst realistischen Verlauf der Permittivität zu erzeugen. Sind keine Reflexionen vorhanden (Alternative 21), wird dieser Schritt nicht ausgeführt. Im nächsten Schritt erfolgt die Erstellung 24 bzw. Vorgabe eines Verlaufsmodells der Permittivität unter der Modellannahme von Objektdicke und Verlusten innerhalb des Objekts anhand von vorgegebenen Informationen über das Objekt. Anschließend erfolgt der iterative Prozess der Berechnung 25 der theoretischen Messwerte auf Basis des Verlaufsmodells, des Vergleichs 26 der theoretischen und der realen Radarmesswerte sowie bei Abweichung 27 der realen von den theoretischen Radarmesswerten eine Variation 28 der Annahmen und eine erneute Iteration dieser Schritte im iterativen Verfahren 34. Weichen die theoretischen Radarmesswerte innerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit bzw. vorgegebener Schwellwerte nicht mehr von den realen Messwerten ab (29), so erfolgt eine Berechnung 30 der ortsaufgelösten Feuchtigkeit durch Vergleich mit dem Permittivitätsverlauf eines identischen trockenen Objekts. Schließlich erfolgt die Ausgabe 31 der Ergebnisse, d. h. der in Ausbreitungsrichtung der Radarwellen ortsaufgelösten Permittivität und gegebenenfalls Feuchtigkeit.
Die Radarabbildung des Objekts kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen erfolgen. 4 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem die Radarabbildung des Objekts 8 mit zwei Radarsensoren 9 erfolgt, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Objekts entlang der Messstrecken 35 in beliebiger horizontaler und vertikaler Ausrichtung bewegt werden können. Die Messung kann hierbei, je nach Ausbildung der Radarsensoren 9 in Transmission und/oder in Reflexion erfolgen.
5 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Radarsensor 9 auf entsprechenden Messstrecken 35 auf einer Seite des Objekts 8 bewegt wird, um eine Radarmessung in Reflexion zu erhalten.
In dem Beispiel der 6 erfolgt eine Transmissionsmessung und/oder Reflexionsmessung mit jeweils mehreren Radarsensoren, die sich gegenüberliegend auf zwei Seiten des Objekts 8 befinden und entsprechend synchron auf den Messstrecken 35 zur Abtastung des Objekts 8 bewegt werden. Die Öffnungswinkel 36 bzw. Strahlverläufe der Radarsensoren 9 sind in der Figur ebenfalls angedeutet.
7 zeigt eine der 6 vergleichbare Anordnung, bei der jedoch die Öffnungswinkel 36 der Radarsensoren 9 unterschiedlich gewählt sind. Auf diese Weise lassen sich aus den Radarmessdaten mehr Informationen über das Objekt 8 gewinnen als bei Einsatz von Radarsensoren mit identischem Öffnungswinkel.
Das Objekt kann auch auf nicht horizontalen bzw. vertikalen Messstrecken mit den Radarsensoren 9 vermessen werden, wie die 8 und 9 schematisch zeigen. 8 zeigt hierbei eine Messstrecke 37 in zirkularer Ausrichtung, 9 eine Messstrecke 38 in spiralförmiger Ausrichtung.
Im Folgenden wird das vorgeschlagene Verfahren nochmals anhand eines Beispiels in Verbindung mit den 10 bis 21 erläutert. Bei diesem Beispiel besteht die Aufgabe darin, den Feuchtigkeitsverlauf entlang der Ausbreitungsrichtung der zur Radarmessung eingesetzten elektromagnetischen Welle an einem aus Eiche bestehenden Holzstück als Probenobjekt 8 zu ermitteln. Das Holzstück ist in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle 10 cm dick. Nur an einem Messpunkt des Holzstückes wird in, diesem Beispiel eine Radarmessung durchgeführt, wie dies in der 10 schematisch mit dem Radarsensor 9 und der Auswerteeinheit 41 angedeutet ist. Die Figur zeigt eine Seitenansicht des Messaufbaus entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle.
Als a priori Wissen sind die Dicke und die Temperatur des Holzstückes bekannt. Zusätzlich sind der Verlauf der Permittivität des trockenen Materials und die Verluste des Probenmaterials und der Luft bei der jeweiligen Permittivität und Temperatur in einer Lookup-Tabelle durch vorherige empirische Studien gespeichert. Für dieses Beispiel ist ein monostatischer Aufbau gewählt worden.
In 11 ist der reale Permittivitätsverlauf ausgehend vom Radarsensor über den Abstand zum Holzstück durch Luft und die Dicke des Holzstückes, d. h. in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle, dargestellt. 12 zeigt schematisiert anhand der Pfeile Reflexionen 42, 43 der Radarwellen an unterschiedlichen Grenzschichten des Holzstückes 8 und Permittivitätssprüngen im Holzstückes 8, die vom Radarsensor 9 erfasst werden. In 13 sind die daraus resultierenden und mit dem Radarsensor 9 erfassten Messdaten im Zeitbereich dargestellt. Die obigen Reflexionen 42, 43 sind anhand der einzelnen Peaks in den Messdaten zu erkennen.
Das Verfahren könnte selbstverständlich auch mit einem bistatischen Aufbau durchgeführt werden. Vorstellbar sind auch Vorrichtungen, mit denen zusätzlich eine Transmissions-Messung und/oder eine Polarisations-Messung durchgeführt werden können. Ebenfalls könnten MIMO oder multistatische Aufbauten genutzt werden, um zusätzliche Informationen aus unterschiedlichen Positionen für das Verfahren zu gewinnen.
Bei der Auswertung der Messdaten werden die aufgenommenen Messdaten bei dem Verfahren zunächst korrigiert. Diese Korrektur kann in zwei Schritte unterteilt werden, eine Kalibration und eine Aufbereitung der Messdaten. Beide Korrekturen finden an den Messdaten im Zeitbereich statt, weshalb Messdaten des Frequenzbereichs erst einmal in den Zeitbereich umgerechnet werden müssen. Dies kann mit Hilfe einer Inversen Fast Fourier Transformation, mit der Matrix-Pencil-Methode oder mit einer ähnlichen Methode realisiert werden.
Wenn die Messdaten im Zeitbereich vorliegen, startet die erste Korrektur der Messdaten mittels Kalibration. Ziel dieser Korrektur ist die Gewinnung der Messdaten, die nur durch die Probe beeinflusst wurden. Aus diesem Grund wird der Bereich vor und hinter der Probe und die Reflexionen des Systems (inkl. Antenne und Nahfeldeffekte) heraus kalibriert. Nach der ersten Korrektur werden die Messdaten aufbereitet, damit diese frei von den Verlusten des Materials, der Dispersion, der Mehrwegeausbreitung, den Temperatureinflüssen sowie evtl. von Rauschen sind. Durch diese beiden Korrekturen werden bessere Ergebnisse bei der Bestimmung der Permittivitäts- oder Feuchtigkeitsverlaufes geliefert.
Im vorliegenden Beispiel wird als erstes die Entfernung zu der ersten Grenzschicht des Holzstückes berechnet. Dafür wird die Zeit der ersten Reflexion (0.32 ns) betrachtet und daraus die Entfernung zu der Grenzfläche bestimmt. Korrigiert werden muss dabei der doppelte Strahlenweg und die veränderte Wellengeschwindigkeit im Medium Luft. Die Entfernung wird bei diesem Beispiel mit 5 cm rekonstruiert. Anschließend wird die Amplitude der Messungen mit den Werten der Lookup-Tabelle korrigiert, die die Verluste des Materials Luft bei Berücksichtigung sämtlicher Einflüsse (z. B. der gemessenen Temperatur, der Dispersion) beinhaltet. Dadurch wird der erste Bereich der Messdaten bis zur Reflexion der ersten Grenzschicht gelöscht und somit der Bereich vor dem Holzstück heraus kalibriert. Im nächsten Schritt wird mittels der Amplitude der ersten Reflexion eine Permittivität von 12,5 F/m für die gesamte Probe rekonstruiert. Mit Hilfe dieser gemittelten Permittivität und dem a priori Wissen über die Dicke der Probe wird berechnet, wo die Reflexion der hinteren Grenzschicht des Stück Holzes sein sollte. Die Reflexion in der Nähe dieser Stelle wird als Reflexion der hinteren Grenzschicht angenommen. Anschließend werden die Messdaten ab dieser Reflexion aufwärts gelöscht, damit der Bereich hinter der Holzprobe nicht mehr berücksichtigt wird. Die auf diese Weise kalibrierten Messdaten sind in 14 dargestellt.
Sollte die Dicke des Materials nicht als a priori Wissen bekannt sein, wird diese aus den Messdaten bestimmt, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Wenn keine Reflexionen im Zeitbereich zu erkennen sind, wird als a priori Wissen sowohl die Dicke der Probe, als auch der Abstand zwischen Antenne und Probe benötigt. Mit diesen beiden Werten kann die obige Kalibrierung der Messdaten ebenfalls durchgeführt werden.
Die Werte der Lookup-Tabelle können sowohl aus empirischen Studien mit dem entsprechenden Material, als auch aus mathematischen oder physikalischen Funktionen stammen. Es können auch zusätzlich Informationen über die Probe durch weitere Messungen, bspw. der Polarisation, der Transmission, mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln der Antenne oder durch andere Verfahren (z. B. Ultraschall, Röntgen) gewonnen werden, die die Kalibrierung der Messdaten und auch alle weiteren Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens unterstützen können. Alle relevanten Informationen zu diesem Material, die bei weiteren Messungen von Interesse sein könnten, können intern gespeichert werden. Somit kann bei einer weiteren Messung darauf zugegriffen werden.
Nachdem die Bereiche vor und nach der Probe heraus kalibriert wurden, werden die Messdaten der Probe aufbereitet, in dem als erstes die Verluste der Materialprobe bei Berücksichtigung sämtlicher Einflüsse (z. B. der gemessenen Temperatur, der Dispersion) heraus gerechnet werden. Anschließend werden die Mehrfachreflexionen innerhalb der Probe eliminiert, bevor die Amplituden der einzelnen Reflexionen umgerechnet werden in die Reflexionsfaktoren. Mit Hilfe dieser Reflexionsfaktoren können dann die Sprünge in der Permittivität rekonstruiert werden.
So werden im vorliegenden Beispiel anhand der Informationen über die rekonstruierte gemittelte Permittivität, den jeweils aktuellen Amplitudenwert und dessen Zeitpunkt, die Temperatur der Probe, die Messfrequenzen und anhand des a priori Wissens über die Art der Probe aus einer Lookup-Tabelle Korrektur-Werte für die Messdaten im Zeitbereich gewonnen. Diese Korrektur-Werte wurden empirisch oder mathematisch ermittelt und beinhalten auch die unterschiedlichen Verluste innerhalb des Holzstückes, die sich durch die Permittivität (aus der Amplitude ableitbar) darstellt. Mit diesen Korrektur-Werten werden die Messdaten sukzessive von vorne bis hinten korrigiert. Anschließend werden die Amplitudenwerte mit einem Standardverfahren in die Reflexionsfaktoren umgerechnet. Das Ergebnis dieser Aufbereitung der Messdaten ist in 15 dargestellt.
In einer alternativen Ausgestaltung können auch zunächst die Verluste anhand der gemittelten Permittivität korrigiert werden. Anschließend werden aus diesem Ergebnis dann die Sprünge der Permittivität berechnet. Diese Information wird wiederum verwendet, um die ursprünglichen Messdaten erneut zu korrigieren. Dies wird sukzessiv durchgeführt, um sich dem richtigen Wert anzunähern. Wenn der Unterschied in dem Ergebnis zweier aufeinander folgender Schritte klein ist, wird das Ergebnis als gut empfunden und die Korrektur ist beendet.
Für die Bestimmung der Dicke einer Probe aus den Messdaten wird die Zeit betrachtet, die zwischen den Reflexionen der ersten und letzten Grenzschicht liegt. Diese Zeit muss noch korrigiert werden, da sie den doppelten Strahlenweg enthält.
Bei der Umrechnung in eine Distanz muss beachtet werden, dass die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im Medium um die Wurzel der Permittivität des Materials kleiner ist, als die Lichtgeschwindigkeit. Wenn die Dicke nicht als a priori Wissen bekannt ist, kann diese zu Anfang mit der gemittelten Permittivität der ganzen Probe bestimmt werden. Anschließend muss diese aber mit angepasst werden, da die Dicke nicht exakt ist.
Sollte bei der Aufbereitung der Messdaten die Korrektur nicht durch die Lookup-Tabelle erfolgen, sondern durch die sukzessive Annäherung, kann die Dicke ebenfalls dabei sukzessive angepasst werden.
Anhand der Kombination der aufbereiteten und kalibrierten Messdaten und dem a priori Wissen über das gemessene Holzstück wird ein erstes Modell für den Verlauf der Permittivität innerhalb des Holzstückes erstellt. Dafür wird als erstes ein Verlauf initialisiert, bevor dieser zwei weitere Male angepasst wird, wie dies im Folgenden anhand der 16 bis 19 erläutert wird. 16 zeigt hierbei die korrigierten Messdaten aus den vorangegangenen Schritten.
1. Initialisierung des Verlaufsmodells:
Dafür wird zuerst die Dicke des Holzstückes in gleichmäßige Teile unterteilt. Die Anzahl der Teile kann vor der Berechnung gewählt werden und sollte so ausgewählt sein, dass die benötigte Entfernungsauflösung erreicht wird. In diesem Beispiel wird die Dicke von 10 cm in 1000 Teile geteilt, was einer Entfernungsauflösung von 100 μm entspricht. Das bedeutet, dass zwischen zwei benachbarten Punkten des Verlaufsmodells eine Distanz von 100 μm liegt. Dementsprechend besteht das Verlaufsmodell aus 1001 Punkten, da der Anfangspunkt mit gezählt werden muss. Die Unterteilung ist nötig, da ein Verlauf für die Berechnung immer diskretisiert werden muss.
Für die Initialisierung wird über die gesamte Dicke eine Permittivität von 12.5 F/m angenommen, was der rekonstruierten Permittivität entspricht. Das bedeutet, dass für jeden der 1001 Punkte der Wert 12.5 angenommen wird. Das Ergebnis der Initialisierung ist in der 17 zu sehen.
2. Erstellen eines ersten Verlaufsmodells:
Um ein erstes Verlaufsmodell zu erstellen, werden die initialisierten Werte der 1001 Punkte mit Hilfe der gemessenen und korrigierten Messdaten (16) im Zeitbereich angepasst. Dies wird mit den Informationen (Reflexionsfaktor, Zeit) der sechs Reflexionen realisiert. Dabei werden zunächst aus den sechs Reflexionen fünf Schichten erstellt.
Mit Hilfe der Zeitpunkte der Reflexionen wird bestimmt, welche Punkte des Verlaufsmodells betroffen sind. Bei der Umrechnung der Zeit in die Distanz muss der doppelte Strahlenweg und die verminderte Wellengeschwindigkeit beachtet werden. Anhand der Reflexionsfaktoren und des Phasenwertes der jeweiligen Reflexionen kann dann auf die Permittivität der einzelnen Schichten geschlossen werden.
Mit Hilfe des rekonstruierten Phasenwertes wird bestimmt, ob sich der Wert der Permittivität nach oben oder unten verändert. Dies ist möglich, da die Phase einen Phasensprung von 180 Grad erfährt, wenn es von einem optisch dichteren Material reflektiert wird. Dieser Sprung findet nicht statt, wenn es von einem optisch dünneren Material reflektiert wird. Anhand der Steigung (3 dB Breite) des Peaks kann bestimmt werden, wie steil die Veränderung auftreten muss.
2.1 Anpassung Part 1:
Die initialisierte Permittivität des Holzstückes wird durch die sechs Reflexionen in fünf Schichten unterteilt. Die erste Schicht behält die Permittivität von 12.5 F/m. Die Permittivitäten der weiteren Schichten werden sukzessive mit Hilfe der Reflexionsfaktoren bestimmt. Durch Kenntnis der Permittivität der Schicht vor der Reflexion und dem Reflexionsfaktor der Reflexion kann die Permittivität der zweiten Schicht bestimmt werden. Dies wird sukzessive weitergeführt, bis alle Reflexionen abgearbeitet sind.
Nachdem die Permittivitäten der einzelnen Schichten berechnet wurden, müssen die Positionen rekonstruiert werden, an denen sich die Permittivität innerhalb des Materials ändert. Dafür werden die Zeiten der einzelnen Reflexionen mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, und durch die Brechzahl (Wurzel der Permittivität) der jeweiligen Schicht und durch 2 geteilt. Durch den Wert 2 wird der doppelte Weg der elektromagnetischen Welle ausgeglichen, während die Brechzahl die langsamere Ausbreitung der elektromagnetischen Welle im Medium berücksichtigt.
Anschließend werden für die jeweiligen Dicken der einzelnen Schichten die Permittivitäten in dem initialisierten Verlaufsmodell korrigiert. Das Ergebnis ist in der 18 dargestellt.
2.2 Anpassung Part 2:
Nachdem die Dicken und die Permittivitäten der einzelnen Schichten rekonstruiert sind, muss noch die Steilheit der einzelnen Flanken bestimmt werden.
Dies wird hier realisiert, in dem die Breite der Reflexion bei dem Reflexionsfaktor von 0,1 bestimmt wird. Diese Breite wird auch für den Permittivitätswechsel zweier Schichten genommen, in dem eine gerade zwischen den beiden Permittivitätswerten angelegt wird. Das Ergebnis ist in 19 zu erkennen.
Sollten keine Reflexionen im Zeitbereich vorhanden sein, aber als a priori Wissen die Dicke und der Abstand zwischen Antenne des Radarsensors und Probe bekannt sein, so kann das Verlaufsmodell in anderer Weise erstellt werden. In diesem Fall kann bspw. ein erstes Verlaufsmodell basierend auf einem gespeicherten typischen Verlauf des Werkstoffes initialisiert werden, der nicht durch Reflexionen korrigiert wird. Ebenfalls könnte ein erstes Verlaufsmodell erstellt werden, das auf einer mathematischen oder physikalischen Funktion beruht. Sollten keine Reflexionen vorhanden sein, bedeutet dies für das Verfahren nur, dass der initialisierte Verlauf nicht korrigiert wird. Der anschließende Vergleich des Verlaufsmodells mit den realen Messdaten wird dann mit dem initialisierten Verlauf durchgeführt.
Grundsätzlich kann als initialisierter Verlauf beim vorliegenden Verfahren nicht nur eine Gerade angenommen werden, sondern auch jegliche andere Form, die durch empirische Studien oder mathematische bzw. physikalische Funktion gewonnen wurde. Auch ein anderes Verfahren zur Berechnung der Breite (z. B. die Breite des um 3 dB gesunkenen Spitzenwertes) ist möglich, genauso wie eine andere Form der Verbindung (z. B. ein Sinus-Kurve) zweier Schichten verwendet werden kann, als die einer Geraden. Die genaue Auswahl wird durch den Typ des Werkstoffes ausgewählt. Zusätzlich ist es auch vorstellbar, dass die Verläufe innerhalb einer Schicht nicht als Gerade angenommen wird, sondern mittels empirischer Studien und einer Lookup-Tabelle vorgegeben oder durch mathematische bzw. physikalische Funktion erstellt wird.
Nachdem ein erstes Verlaufsmodell erstellt wurde, werden nun Messdaten mit dem Verlaufsmodell und den bekannten Einstellungen der Messung unter Berücksichtigung aller physikalischen Effekte (z. B. Temperatur, Dispersion) mathematisch berechnet. Diese simulierten Messdaten werden dann mit den realen Messdaten verglichen, die nach der Kalibration erhalten wurden (14).
Die Simulation der Messdaten erfolgt mit dem gerade erstellten Verlaufsmodell (19) und den bekannten Einstellungen der Messungen. Dabei wird nur das Holzstück simuliert und keine Luftschichten davor oder dahinter. Die realen Messdaten wurden vorher ebenfalls schon so angepasst, dass diese nur das Holzstück beinhalten. Diese beiden Messdaten werden miteinander verglichen und eine Fehlerabschätzung durchgeführt.
In diesem Beispiel werden von den simulierten Messdaten die realen Messdaten abgezogen. der Betrag gebildet und über die Frequenzen summiert. Die Summe dieses Ergebnisses wird dann mit einer vorher definierten minimalen Fehlergrenze verglichen. Ist die Summe kleiner, kann das Verlaufsmodell als gut angenähert an dem realen Verlauf betrachtet werden, und das Verlaufsmodell an die nächste Verfahrensstufe übergeben werden, in der der Feuchtigkeitsverlauf berechnet wird.
Selbstverständlich sind beim vorliegenden Verfahren auch andere bekannte Fehlerabschätzungsverfahren möglich.
Im vorliegenden Beispiel ist die Summe deutlich größer als die minimale Fehlergrenze. Das erste Verlaufsmodell hat daher zu große Abweichungen zu dem realen Verlauf. Somit muss eine iterative Anpassung des Verlaufsmodells realisiert werden, bis die Fehlergrenze unterschritten ist.
In diesem Beispiel werden als erstes die Flanken abgerundet, so dass an deren Sprungstellen das so genannte Gibbsche Phänomen (Überschwingungen) auftritt. Zusätzlich dazu wird die Gerade zwischen den Sprungstellen mit einer Sinus-Funktion multipliziert. Das Ergebnis ist in der 20 als Permittivitätsverlauf (PM-Verlauf) nach 1 Iteration zu sehen. Nachdem der Verlauf variiert wurde, werden neue Messdaten simuliert und mit den realen Messdaten verglichen. Sollten die Abweichungen immer noch zu groß sein, wird der Verlauf des Modells solange verändert, bis die Abweichung klein genug ist. Bei den weiteren Korrekturen werden die Auswirkungen des Gibbschen Phänomens abgeschwächt bzw. erhöht. Zusätzlich wird die Sinus-Funktion zwischen den Sprungstellen abgeschwächt. Durch Betrachten der Variationen und dem dazugehörigen Ergebnis des Vergleiches zwischen simulierten und realen Messdaten wird für das Verfahren automatisch ersichtlich, wie sich der Verlauf verändern muss, damit er sich dem realen Verlauf anpasst. Dies ist der Fall, da eine Veränderung des Verlaufes in die falsche Richtung eine größere Abweichung zur Folge hat, als eine Annäherung an den realen Verlauf. Wenn die Abweichungen klein genug sind, wird der angepasste Verlauf an die nächste Verfahrensstufe übergeben, in der der Feuchtigkeitsverlauf ermittelt.
In der 20 ist zu erkennen, dass das Verfahren in diesem Beispiel nach drei Iterationen (in der Figur als letzte Iteration bezeichnet) einen stetigen Verlauf gefunden hat, bei dem die Abweichung klein genug ist. Das Ergebnis entspricht dem gesuchten Permittivitätsverlauf des Holzstückes über die Dicke, d. h. in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Veränderungen, die bei der ersten Iteration (Gibbsches Phänomen + Sinus-Funktion) durchgeführt wurden, auch bereits bei der Erstellung des Verlaufsmodells zu realisieren. Weiterhin kann auch eine andere Art der Anpassung durchgeführt werden, als die bei diesem Beispiel eingesetzte Technik. Dabei kann die Art der Anpassung durch empirische Studien oder mathematische bzw. physikalische Funktionen vorgegeben werden.
Bei der iterativen Anpassung des Verlaufes kann auch die Dicke variiert werden. Bei der Variation der Dicke ändert sich natürlich auch die Entfernungsauflösung des Verlaufsmodells.
Im vorliegenden Beispiel soll der Feuchtigkeitsverlauf über die Dicke des Holzstückes ermittelt werden. Hierzu muss zunächst der erhaltene Permittivitätsverlauf in einen Feuchtigkeitsverlauf umgerechnet werden.
Nachdem der stetige Verlauf der Permittivität bekannt ist, kann mit Hilfe einer Lookup Tabelle von dem Permittivitätsauf den Feuchtigkeitsverlauf geschlossen werden. In der Lookup-Tabelle stehen Umrechnungswerte für den Permittivitätsverlauf in den Feuchtigkeitsverlauf, bei Berücksichtung aller Umgebungsparameter (z. B. Dispersion, Temperatur). Die Umrechnungswerte können aus dem Vergleich zwischen den Permittivitätsverläufen bei trockenem und feuchtem Material gewonnen werden. Denn die Erhöhung der Permittivität ist abhängig von dem Wassergehalt in dem Material.
21 zeigt den in diesem Beispiel ermittelten stetigen Feuchtigkeitsverlauf. Da es sich im vorliegenden Beispiel um ein homogenes Holzstück handelte, das im trockenen Zustand keine Permittivitätssprünge aufweist, resultiert der schwankende Verlauf der Permittivität hier in der unterschiedlichen Feuchtigkeit im Holzstück, so dass der Feuchtigkeitsverlauf dem Permittivitätsverlauf entspricht.
Die Werte aus der Lookup-Tabelle müssen durch empirische Studien für jedes Material einzeln gewonnen werden. Dies ist eine bekannte und weitverbreitete Methode zur Bestimmung der Feuchtigkeit.
Die Ergebnisse werden für den Anwender mit allen nötigen Zusatzinformationen (z. B. Temperatur etc.) dargestellt. Zusätzlich werden alle Verläufe und Daten im internen Speicher abgelegt, die bei späteren Messungen noch einmal von Interesse sein könnten.
Anstelle der obigen Vorgabe eines Verlaufsmodells mit einer größeren Anzahl an Punkten bzw. Stützwerten, die dann entsprechend angepasst werden, ist es auch möglich, zunächst nur mit wenigen Punkten bzw. Stützwerten zu beginnen, deren Anzahl dann im Laufe der Anpassung bis zur gewünschten Auflösung erhöht wird. So kann beispielsweise zum Start nur ein Punkt über die gesamte Dicke des Objekts vorgegeben werden. Das entspricht einem Verlauf mit einer über die Dicke konstanten Permittivität. Es wird dann die Permittivität für diesen einen Punkt iterativ ermittelt, die am besten für das Objekt passt. Ist diese bestimmt, werden nun 3 Punkte für den Verlauf über die Dicke angenommen. Mit dem Vorwissen aus der Berechnung zuvor (nur 1 Punkt für den Verlauf), wird ein erstes Modell erstellt und dieses iterativ angepasst, bis der beste Verlauf erreicht wird. Nach dem ein optimaler Verlauf mit 3 Punkten errechnet wurde, wird ein Verlauf mit 5 Punkten angenommen. Dieser wird wieder iterativ berechnet, mit dem Vorwissen aus der Berechnung zuvor (3 Punkte für den Verlauf).
Diese Prozedur wird sukzessive durchgeführt, bis die gewünschte Anzahl an Punkten (= gewünschte Entfernungsauflösung) erreicht ist. Hierbei kann flexibel eingestellt werden, um wie viele Punkte der Verlauf von Anpassung zu Anpassung erhöht wird.
Es können auch 2 oder mehrere Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten (z. B. direkt nacheinander) der gleichen Messposition genutzt werden, um mit den daraus erhaltenen Informationen den Modellverlauf anzupassen und/oder zu erstellen. So könnten die Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten gemittelt werden, um genauere Ergebnisse zu bekommen. Zusätzlich ist es auch vorstellbar, dass die Differenz der zeitlich verschobenen Messungen der selben Position ermittelt wird, die dann im Bezug zu der Temperaturschwankung innerhalb dieser zeitlichen Verschiebung Informationen liefern, die die Erstellung des Modellverlaufs vereinfachen und/oder genauer machen. Dies ist möglich, da die Temperaturschwankung direkten Einfluss auf die Permittivität des Materials hat.
Desweiteren ist es auch möglich, dass nur die Differenz zwischen zwei benachbarten Zeitpunkten innerhalb einer Messung für die Erstellung des Modellverlaufs verwendet wird. So könnten die Informationen aus der Differenz zweier benachbarter Zeitpunkte vom Anfang bis zum Ende der Zeitbereichsdaten sukzessive gewonnen werden und dabei gleichzeitig anhand dieser Informationen sukzessive der Modellverlauf von Anfang bis Ende daraus erstellt werden.
Weiterhin können die Messdaten im Frequenzbereich genutzt werden, um mittels der Dispersion des Materials weitere Informationen für die Erstellung und/oder genauere Anpassung des Modellverlaufs zu gewinnen. Die Dispersion gibt die Frequenzabhängigkeit der Materialien wieder. Das bedeutet, dass die Permittivität desselben Materials bei unterschiedlicher Frequenz variiert. Dies ist den unterschiedlichen Wellenlängen der Frequenzen und deren Einflüssen geschuldet.
Werden nun die Messdaten bei unterschiedlichen Frequenzen (Frequenzmessdaten) unter Berücksichtigung der Dispersion des Materials betrachtet, können weitere wichtige Informationen für die Erstellung und/oder der besseren Anpassung gewonnen werden.
Bezugszeichenliste

1: Rohdaten der Radarsensoren im Zeit- und/oder Frequenzbereich
2: Informationen über das Objekt
3: Algorithmen zur Rekonstruktion der ortsaufgelösten Permittivität und Feuchtigkeit
4: 3D-Modell der ortsaufgelösten Permittivität und Feuchtigkeit innerhalb des Objekts
5: Aufnahme der Messdaten und a priori Wissen
6: Datenverarbeitung
7: Darstellung der Ergebnisse
8: Objekt
9: Radarsensor
10: a priori Wissen über das Objekt
11: Vorverarbeitungsmodul
12: Materialmodul
13: Rekonstruktion der Permittivität und Feuchtigkeit innerhalb des Objekts
14: automatische Detektoren
15: 3D Darstellung der Permittivität und Feuchtigkeit innerhalb des Objekts
16: Datenverarbeitungseinrichtung
17: Messszene
18: Ggf. Umrechnung in den Zeitbereich
19: Kalibrierung der Messwerte im Zeitbereich
20: Reflexionen im Zeitbereich
21: Keine Reflexionen im Zeitbereich
22: Aufbereitung der Messwerte
23: Extraktion von Informationen aus den Messwerten
24: Erstellung eines Verlaufsmodells
25: Berechnung der theoretischen Messwerte
26: Vergleich der theoretischen und realen Messwerte
27: Theoretische und reale Messwerte sind ungleich
28: Variation der Annahmen
29: Theoretische und reale Messwerte sind nahezu gleich
30: Berechnung der Feuchtigkeit
31: Ausgabe der Ergebnisse
34: Iterative Anpassung des Verlaufsmodells
35: Messstrecke in beliebiger horizontaler und vertikaler Ausrichtung
36: Öffnungswinkel der Radarsensoren
37: Messstrecke in zirkularer Ausrichtung
38: Messstrecke in spiralförmiger Ausrichtung
39: Datenbank mit den Parametern verschiedener Objekte
40: beliebige mechanische Messstrecke/-dimensionen
41: Auswerteeinheit
42: Reflexionen an Grenzschichten
43: Reflexionen an Permittivitätssprüngen

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Verlaufs der Permittivität eines Bereichs oder Objekts in Ausbreitungsrichtung einer für eine Radarmessung eingesetzten elektromagnetischen Welle, mit folgenden Schritten: – Durchführung der Radarmessung zur Radarabbildung des Bereichs oder Objekts in Reflexion oder in Reflexion und Transmission von zumindest einer Seite des Bereichs oder Objekts, um Radarmessdaten des Bereichs oder Objekts zu erhalten, – Vorgeben oder Erstellen eines Modellverlaufs der Permittivität des Bereichs oder Objekts über die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle, – Berechnen von theoretischen Radarmessdaten, die eine Radarabbildung eines dem Modellverlauf entsprechenden Bereichs oder Objekts unter gleichen Bedingungen wie bei der durchgeführten Radarmessung ergeben würde, – Anpassung des Modellverlaufs durch Vergleich der theoretischen Radarmessdaten mit den vorliegenden Radarmessdaten und iterative Variation des Modellverlaufs der Permittivität bis die theoretischen Radarmessdaten mit einer vorgegebenen Genauigkeit mit den vorliegenden Radarmessdaten übereinstimmen und ein stetiger Modellverlauf der Permittivität erhalten wird, und – Darstellung des durch die iterative Variation erhaltenen stetigen Verlaufs der Permittivität.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vorgeben oder Erstellen des Modellverlaufs eine Kalibration der Radarmessdaten im Zeitbereich auf den Bereich oder das Objekt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten von Reflexionen im Zeitbereich Informationen über alle aufgetretenen Reflexionen aus den Radarmessdaten extrahiert und für die Erstellung des Modellverlaufs genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Radarmessdaten die Breite von Reflexionspeaks bestimmt und als Maß für die Einstellung der Steilheit einer zugehörigen Permittivitätsänderung bei der Erstellung des Modellverlaufs genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Nutzung der Informationen auch Materialverluste in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Nutzung der Informationen auch Dispersion und/oder Mehrfachreflexionen und/oder Temperatur berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anpassung des Modellverlaufs auch die Dicke des Bereichs oder Objekts in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle variiert wird, falls diese nicht bekannt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe oder das Erstellen des Modellverlaufs der Permittivität auf Basis von a priori Wissen über den Bereich oder das Objekt und/oder unter Nutzung einer Datenbank erfolgt, die Informationen über den Bereich oder das Objekt enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Radarmessung mehrere Radarsensoren mit unterschiedlichem Öffnungswinkel eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der iterativen Variation erhaltenen Daten für den Bereich oder das Objekt in einer Datenbank abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung des Modells Messdaten im Frequenz- und/oder im Zeitbereich genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem feuchten Bereich oder Objekt aus dem mit dem Verfahren erhaltenen stetigen Verlauf der Permittivität des feuchten Bereichs oder Objekts und einem bekannten Verlauf der Permittivität eines trockenen identischen Bereichs oder Objekts ein stetiger Feuchtigkeitsverlauf des feuchten Bereichs oder Objekts entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle berechnet und dargestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Radarmessungen an unterschiedlichen lateral nebeneinander liegenden Stellen von der zumindest einen Seite des Bereichs oder Objekts durchgeführt werden, der Modellverlauf der Permittivität als 2D- oder 3D-Modellverlauf vorgegeben oder erstellt und durch Vergleich der daraus berechneten theoretischen Radarmessdaten mit den aus den Radarmessungen erhaltenen Radarmessdaten und iterative Variation des 2D- oder 3D-Modellverlaufs der Permittivität angepasst wird, bis die theoretischen Radarmessdaten mit einer vorgegebenen Genauigkeit mit den erhaltenen Radarmessdaten übereinstimmen und ein stetiger 2D- oder 3D-Modellverlauf der Permittivität erhalten wird.
Radarsystem zur Bestimmung eines Verlaufs der Permittivität eines Bereichs oder Objekts entlang der Ausbreitungsrichtung einer für eine Radarmessung eingesetzten elektromagnetischen Welle, mit: – einer Messeinrichtung mit einem oder mehreren Radarsensoren, mit der die Radarmessung zur Radarabbildung des Bereichs oder Objekts in Reflexion oder in Reflexion und Transmission von zumindest einer Seite des Bereichs oder Objekts durchführbar ist, um Radarmessdaten des Bereichs oder Objekts zu erhalten, – einer Datenverarbeitungseinrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie – auf Basis eines vorgegebenen Modellverlaufs der Permittivität entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle theoretische Radarmessdaten berechnet, die eine Radarabbildung eines dem Modellverlauf entsprechenden Bereichs oder Objekts ergeben würde, und – eine Anpassung des Modellverlaufs durch Vergleich der theoretischen Radarmessdaten mit den vorliegenden Radarmessdaten und iterative Variation des Modellverlaufs der Permittivität vornimmt, bis die theoretischen Radarmessdaten mit einer vorgegebenen Genauigkeit mit den vorliegenden Radarmessdaten übereinstimmen und ein stetiger Modellverlauf der Permittivität erhalten wird.
Radarsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung mit einer Datenbank mit Bereichs-, Objekt- und/oder Materialdaten von Bereichen und/oder Objekten verbunden ist, aus der sie die Bereichs-, Objekt- und/oder Materialdaten und/oder vorgegebene Modellverläufe von Bereichen oder Objekten und/oder Modellparameter für die Durchführung der Berechnungen abrufen kann.
Radarsystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die theoretischen Radarmessdaten unter Berücksichtigung von Dispersion und/oder Mehrfachreflexionen und/oder Temperatur des Bereichs oder Objekts berechnet.