DE19915016C2

DE19915016C2 - Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung eines Mediums für elektromagnetische Wellen und Sensor zur Erkennung von Fremdeinschlüssen in dem Medium

Info

Publication number: DE19915016C2
Application number: DE19915016A
Authority: DE
Inventors: Stefan Liedtke; Stefan Tichy
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: DE19915017A1; DE19915016A1; DE19915017B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung eines be stimmten Mediums für elektromagnetische Wellen.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen elektromagnetischen Sensor zum Erkennen von Fremdkörpereinschlüssen in durch Flächen umgrenzten Medien, insbesondere Beton. Ziegelwerk, Gips, Holz oder auch Gasen, der mit einer während einer Erkennungsmessung auf eine Begrenzungsfläche des Mediums aufzusetzenden, als handliche Baueinheit realisierten Sende- und Empfangsein heit für (eine) Radarwelle(n) ausgerüstet ist.

Radargeräte für geodätische Anwendungen, also insbesondere Bodenradargeräte oder GPR-Systeme (GPR = Ground Penetrating Radar) sind im Stand der Technik bekannt, vgl. Lit [2] bis [5]. Solche Geräte senden die für eine Messung benötig ten elektromagnetischen Wellen ständig aus, sobald ein Meßvorgang ausgelöst worden ist. Für die Feuchtigkeitsbestimmung eines zu untersuchenden Boden areals ist es dabei aus Lit. [5] bekannt, dass die kapazitiven Kopplungsbedin gungen des aus Sende- und Empfangsantenne und Untergrund gebildeten Sy stems während eines Meßvorgangs die Information über den Untergrund be stimmt. Um eine signalverarbeitungstechnische Auswertung zu ermöglichen, ist das Sendesignal bei seiner Generierung im Sender mitzuregistrieren. Reicht da bei die für bestimmte Untergrund- oder Materialuntersuchungen erforderliche Abstrahlleistung, beispielsweise eines eingesetzten Impulsradargeräts nicht aus, so kann der Gerätebenutzer innerhalb vorgegebener Grenzen nach Gutdünken die Sendeleistung erhöhen. Schon aus Sicherheitsgründen wäre es jedoch bei lo kal eng begrenzten Untersuchungen erwünscht, vor der eigentlichen Messung zur genauen Untersuchung des Mediums, insbesondere zum Aufspüren von in nerhalb des Mediums enthaltenen Fremdkörpern, eine Information darüber zu erhalten, ob und gegebenenfalls welche Art von elektromagnetische Energie ab sorbierendem Material sich an bzw. unter einer durch den elektromagnetischen Sensor zu untersuchenden Fläche bzw. einem Flächenabschnitt befindet.

Zu dieser grundsätzlichen Aufgabenstellung kommt ein weiterer sicherheits relevanter Aspekt hinzu: Die von der Sendeantenne abzustrahlende Leistung für einen bestimmten Meßvorgang sollte ohne vorherige Abschätzung der Dämpfung oder des Absorptionsvermögens des zu untersuchenden Mediums nicht freigegeben werden. Prinzipiell naheliegend wäre es natürlich, einen Kontaktschalter in die Sendeantenne oder die Baueinheit aus Sende- und Empfangsantenne zu in tegrieren. Dieser Kontaktschalter würde zwar dann das Aufsetzen der Antennen einheit auf eine Begrenzungsfläche eines zu untersuchenden Mediums registrie ren, aber nicht erkennen, ob dieses Material die ausgesandte Strahlung absor biert, so daß unter Umständen, beispielsweise wenn Hohlräume vorhanden sind, eine Radarimpulswelle viel zu großer Leistung abgegeben wird, was aus vielerlei Sicherheitsgründen unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrich tung zu schaffen, die beispielsweise für GPR-Systeme, insbesondere aber für elektromagnetische Sensoren zur Untersuchung von durch Flächen umgrenzten Medien, wie Beton, Gips, Ziegelwerk, usw., sicherstellt, daß eine zumindest grobe Analyse des Absorptionsvermögens bzw. Dämpfung des betreffenden Medi ums für elektromagnetische Strahlung erfolgt, bevor durch eine in ihrer Leistung dann richtig wählbare Radarpulswelle ein eigentlicher Meßvorgang durchgeführt wird.

Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung eines Me diums für elektromagnetische Wellen durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 definiert.

Gegenüber dem in Lit. [1] als Anregung enthaltenen Vergleichsverfahren zeich net sich der Erfindungsgedanke dadurch aus, daß die Messung nicht trans missiv, also durch das Medium hindurch erfolgt, sondern in oberflächennahen Flächenbereichen des für einen kurz nachfolgend oder praktisch zeitgleich vorgesehenen Bearbeitungsvorgang, z. B. mittels Bohrhammer bestimmten Mediums. Es braucht also nicht, wie bei dem in Lit. [1] beschriebenen Absorp tionsverfahren, eine separate Probe des Mediums (z. B. Beton) vorbereitet und in einer aufwendigen Radarmeßeinrichtung untersucht werden.

Der für die Signalanalyse zur Bestimmung des Dämpfungsvermögens des Mediums für elektromagnetische Wellen, also zur Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstante eingesetzte Algorithmus kann auf verschiedenen Prin zipien aufgebaut sein. Beispielsweise kann vorgesehen werden, im zeitlichen Verlauf des hinsichtlich seiner Verstärkung korrigierten und tiefpaßgefilterten und sodann digitalisierten Übersprechsignals mindestens ein Amplitudenmaximum und mindestens ein Amplitudenminimum zu ermitteln und zur Bestimmung der Art des untersuchten Mediums deren jeweiliges Verhältnis zu einem jeweils zugeordneten Referenzmaximum bzw. Referenzminimum zu bilden.

Eine andere Analysemöglichkeit besteht darin, im zeitlichen Verlauf des wieder um voraufbereiteten und digitalisierten Übersprechsignals die Zeitdifferenz zwischen zwei Maxima und/oder zwei Minima zu ermitteln und zur Bestimmung der Art des untersuchten Mediums diese Zeitdifferenz gegen eine entsprechende Zeitdifferenz eines auf ein bekanntes Medium bezogenen Referenzsignals zu vergleichen.

Eine weitere Analysemöglichkeit zur Bestimmung der Art des untersuchten Mediums besteht darin, ein autoregressives Modell aus dem Übersprechsignal im Zeitbereich zu bilden mit anschließender Darstellung in der s-Ebene, d. h. die fourier- oder laplacetransformierter Darstellung des digitalen, diskreten Signals und Vergleich der Frequenz- und/oder Dämpfungswerte gegenüber vor gegebenen Vergleichswerten, wie im beigefügten Patentanspruch 4 definiert. Vor zugsweise eignet sich hierfür ein autoregressives Modell zweiter Ordnung als Bewertungsalgorithmus.

Der im Patentanspruch 6 angegebene elektromagnetische Sensor mit Vorab bestimmung der Dämpfung des zu untersuchenden Mediums gemäß der Lehre der Erfindung hat den entscheidenden Anwendungsvorteil, daß vor Auslösung eines eigentlichen Meßvorgangs sichergestellt ist, daß die abgegebene Strahlung im zu untersuchenden Material auch tatsächlich absorbiert wird. Die eigentliche Meßstrahlung, also die für einen Untersuchungsvorgang in das Medium abgege benen Radarpulse können dann hinsichtlich ihrer Leistung optimal auf das zu untersuchende Medium abgestimmt werden.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Prinzipskizze einer Sende- und Empfangseinheit eines radar basierten Sensors zur Untersuchung von Medien;

Fig. 2 den prinzipiellen Hardware-Aufbau eines Impuls-Radargeräts zur Entdeckung von Fremdkörpern in Medien;

Fig. 3 das Funktionsablaufdiagramm zum Betrieb eines elektro magnetischen Sensors, beispielsweise zur Erkennung von Fremdkörpereinschlüssen in Medien, bei dem zunächst gemäß der Erfindung eine Bestimmung des Absorptionsvermögens des untersuchten Mediums erfolgt;

Fig. 4 Meßdiagramme zur abschätzenden Bestimmung des Absorptions vermögens eines untersuchten Mediums; und

Fig. 5 das Ergebnis einer Auswertung einer Signalanalyse unter Anwendung eines autoregressiven Modells des Übersprechsignals zwischen der Sende- und Empfangsantenne eines auf unter schiedliche Medien aufgesetzten elektromagnetischen Sensors.

Bei Sensoren zur elektromagnetischen Untersuchung von Medien, etwa GPR- Sensoren, die mit Radarsystemen mit getrennter Sende- und Empfangsantenne 2, 3 innerhalb einer Sende- und Empfangseinheit 10 arbeiten, kommt es bei der Aussendung von Wellen im Mikrowellenbereich, also beispielsweise bei der Aus sendung einer Radarimpulswelle, zu einem in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeu teten Übersprechsignal von der Sendeantenne 2 zur Empfangsantenne 3. Durch gezielt ausgewählte Bewertung und/oder durch bestimmte, nachfolgend durch Beispiele erläuterte Signalverarbeitungsalgorithmen ist es gemäß der Erfindung möglich, dieses Übersprechsignal zu nutzen, um eine Information zu erhalten, ob sich unter der Antenneneinheit 10 ein die elektromagnetischen Wellen absor bierendes Medium 13 befindet.

Das Funktionsprinzip eines Impulsradargeräts, das neben Stepped-Frequency- Radar auch vorliegend im Vordergrund des Interesses steht, wird anhand der Fig. 2 kurz beschrieben: Durch einen getakteten Hochfrequenzgenerator 1 wird ein sehr kurzer Impuls mit einer Länge bzw. Dauer von weniger als 1 ns erzeugt. Dieser Impuls wird durch die Antenne 2 als elektromagnetische Welle in das zu untersuchende Medium 13 (z. B. Beton) eingestrahlt. An Dielektrizitätssprüngen, z. B. an den Übergängen von Beton/Armierungseisen oder Beton/Plastikrohr wird/werden die elektromagnetische(n) Welle(n) reflektiert. Diese Reflexion wird durch die Empfangsantenne 3 aufgenommen, über einen durch eine Abtast steuerung 7 zeitabhängig steuerbaren HF-Verstärker 4 verstärkt, sodann nach Bandpassbegrenzung 8 einer Abtast-/Halteschaltung 5 zugeführt, um anschließend durch einen A/D-Wandler 6 digitalisiert und schließlich über einen Ausgang einer Signalverarbeitung zugeführt zu werden. Die gesamte Schaltungsanordnung oder zumindest die Sende- und die Empfangsantenne 2, 3 sind in einer handlichen Baueinheit zur Antenneneinheit 10 zusammengefaßt.

Wird nun eine Messung nach Aufsetzen der Antenneneinheit 10 auf eine Begren zungsfläche des zu untersuchenden Mediums 13 gestartet, so ist die (zunächst) abgestrahlte Leistung der Sendeantenne 2 auf ein Maß reduziert, um eine Detek tion des unter der Antenneneinheit 10 befindlichen Mediums 13 gerade noch ausführen zu können. Mit dieser reduzierten Leistung wird normalerweise genau eine GPR-Messung durchgeführt.

Das Übersprechsignal wird als Meßsignal über die Empfangsantenne 3 aufge nommen, und es wird zunächst die zeitabhängige Verstärkung im HF-Verstärker 4 kompensiert und die Daten werden tiefpaßgefiltert.

Die Fig. 4 veranschaulicht die aufgrund des Übersprechsignals erhaltenen Meß signale einer Messung in Luft (Kurve a) für ein unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts als nichtabsorbierend bezeichnetes Medium und in Beton (Kurve b) für ein absorbierendes bzw. dämpfendes Medium. Für die Bestimmung, wel che Art von Medium sich unter der Antenneneinheit 10 befindet, werden nach folgend - ohne Einschränkung des grundsätzlichen Erfindungsgedankens - drei Verfahrensmöglichkeiten beschrieben.

Amplitudenverhältnisse

Im Signal der Kurve b in Fig. 4 werden die Signalstärken der Maxima B1, B2 be stimmt und gegen die Signalstärken von Referenzamplitudenmaxima A1, A2 der Kurve a des nichtabsorbierenden Mediums verglichen. Diese Referenzmaxima beispielsweise bezogen auf eine Sensorkalibrierung in Luft können z. B. aus ei ner Look-up-Tabelle aufgerufen werden. Aus den Verhältnissen B1/A1 und B2/ A2 läßt sich die Art des untersuchten Mediums bestimmen.

Zeitdifferenzen

In den Signalverläufen der Fig. 4 werden die zeitlichen Positionen der Maxima B1, B2 bestimmt. Die Zeitdifferenz Δt₁ = t(B2) - t(B1) wird gegen eine - in der Regel gespeicherte - Referenzzeitdifferenz Δt_r = t(A2) - t(A1) verglichen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs läßt sich die Art des untersuchten Mediums bestimmen.

Autoregressive (AR-)Modelle

Vom digitalisierten Übersprechsignal im Zeitbereich wird ein autoregressives Modell (AR-Modell) bestimmter, vorzugsweise niedriger, beispeilsweise zweiter Ordnung

welches zu den Verfahren der parametrischen Spektralabschätzung gehört, gebildet und daraus wird die Art des zu analysierenden Mediums extrahiert. Die über ein Programm errechneten Koeffizienten aν führen mittels der Gl. 1 zu den konjugiert komplexen Polen der Funktion H(z) in der z-Ebene, welche die trans formierte Darstellung des digitalen Signals wiedergibt. Diese Pole werden dann in der s-Ebene; s = σ + jω, also der fourier- oder laplacetransformierten Dar stellung des analogen Signal wiedergegeben, woraus dann eine Frequenz ω resultiert, die von den elektrischen Eigenschaften des untersuchten Mediums 13 abhängig ist.

In der Fig. 5 sind die über das AR-Modell errechneten Frequenzen ω aufgrund verschiedener Messungen auf bzw. in dem absorbierenden Medium Beton einer seits und in Luft (nichtabsorbierend) andererseits auf der Abszisse aufgetragen. Auf der Ordinate dagegen ist die relative Dielektrizitätskonstante ε_r dieser gleichen Medien aufgetragen. Mit der Grenzfrequenz ω_g ist eine eindeutige Unterscheidung in absorbierende (x) und nichtabsorbierende (o) Materialien gegeben. Die Werte für das untersuchte Medium Beton (x) variieren hinsichtlich der Frequenz ω und ihrer relativen Dielektrizitätskonstante (Permittivität) ε_r in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Beton und insbesondere in Abhängigkeit vom jeweiligen Wassergehalt.

Das Flußdiagramm der Fig. 3 veranschaulicht den Funktionsablauf bei Anwen dung eines elektromagnetischen Sensors, der auf dem Prinzip der Erfindung basiert, d. h. also, wenn vor Beginn einer eigentlichen Messung, beispielsweise zur Ermittlung der Art und Lage von Fremdeinschlüssen, wie Armierungseisen, Rohre und dergleichen in Beton oder Mauerwerk, eine wenigstens ungefähre Abschätzung des zu untersuchenden Mediums hinsichtlich seiner Dämpfungs fähigkeit für elektromagnetische Wellen erfolgt.

Das Sensorsystem läßt sich im Schritt S1 erst einschalten, wenn die Antennen einheit 10 auf eine entsprechende Begrenzungsfläche aufgesetzt und ein vom Benutzer vorzugsweise nicht beeinflußbarer Sicherheitsschalter aktiviert worden ist. Nach dem Einschalten ist zunächst die über die Sendeantenne 2 abzustrah lende Leistung eines Radarimpulses so abgesenkt (S2), daß gerade noch eine si chere Detektion des unter der Antenneneinheit 10 befindlichen Mediums 13 er folgen kann. Im Schritt S3 läuft dann dieser eine Meßvorgang zur Medienbe stimmung ab, der im Schritt S4 einer Auswertung unterzogen wird. Ergibt sich, daß die Antenneneinheit 10 sich auf einem absorbierenden Medium befindet, so wird vorzugsweise in Abhängigkeit des festgestellten Mediums die Leistung der abzustrahlenden Radarwelle(n) im Schritt S5 entsprechend erhöht. Es kann eine oder es können mehrere Messung(en) im Schritt S6 durchgeführt werden. Zum Meß- und Auswertungsablauf gehört insbesondere eine Abschätzung der Tiefe des von einem zu erfassenden Fremdkörper stammenden Reflexionssignals basierend auf einer Laufzeitbestimmung über die Formel

worin mit c die Lichtgeschwindigkeit und mit ε_r die zuvor gemäß der Erfindung bestimmte Dielektrizitätskonstante des Mediums bezeichnet sind. Ergibt sich im Schritt S4, daß die Antenneneinheit 10 auf ein nichtabsorbierendes Medium, beispielsweise eine "Pappwand" aufgesetzt wurde, so erhält der Bediener als Schritt S7 einen Hinweis. Ein Abtastvorgang, beispielsweise zur Ermittlung von Fremdkörpereinschlüssen im zu untersuchenden Medium, wie in der Patent anmeldung DE 198 47 688.4 beschrieben, wird dann unterbunden.

Literaturliste

Lit. [1]: I. J. Padaratz et al., Coupling Effects of Radar Antenna on Concrete, veröffentlicht in Konferenz-Dokumente "Non-Destructive Testing in Civil Engineering", NDT-CE'97, Band 1, S. 237-245
Lit. [2]: Du, S.: Determination of water content in the subsurface with the ground wave of ground penetrating radar. - Dissertation an der Fakul tät für Geowissenschaften der Ludwig-Maximilians-Universität, Mün chen. Herbert Utz Verlag Wissenschaft, München, 1996; S. 17-57. - ISBN 3-931327-58-2.
Lit. [3]: Zimmermann, B.; Kehrbeck, K., Munser, R. & Hartrumpf, M.: Einfa cher Mikrowellen-Sensor zur Detektion von Inhomogenitäten in die lektrischen Medien. - HF-Report 4/1996; S. 32-34.
Lit. [4]: Turner, G. & Siggins, A. F.: Constant Q attentuation of subsurface ra dar pulses. - Geophysics, vol. 59(8), 1994; S. 1192-1200.
Lit. [5]: Berktold, A., Wollny, K. G. & Alstetter, H.: surface moisture determi nation with the ground wave of GPR. - 1998, Proc. 7^th

Intl. Conf. GPR, Band 2, S. 675-680.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung eines Mediums für elektroma gnetische Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß hochfrequente elektromagne tische Energie über die Sendeantenne einer als handliche Bauneinheit realisier ten, aus Sende- und Empfangsantenne bestehenden, ortsfest gehaltenen Anten neneinheit eines GPR durch eine Begrenzungsfläche in ein Medium abgestrahlt wird, und ein Übersprechsignal durch die zur Sendeantenne unmittelbar be nachbart angeordnete Empfangsantenne erfaßt wird, und daß das Übersprechsi gnal nach Voraufbereitung und Digitalisierung zur Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstante des Mediums mittels eines Algorithmus analysiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zeitlichen Verlauf des Übersprechsignals mindestens ein Amplitudenmaximum und minde stens ein Amplitudenminimum ermittelt und zur Bestimmung der Art des unter suchten Mediums deren jeweiliges Verhältnis zu einem jeweils zugeordneten Referenzmaximum bzw. Referenzminimum gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zeitlichen Verlauf des Übersprechsignals (b) die Zeitdifferenz (Δt₁) zwischen zwei Maxima (B1, B2) und/oder zwei Minima ermittelt wird und zur Bestimmung der Art des untersuchten Mediums gegen eine entsprechende Zeitdifferenz (Δt_r) eines auf ein bekanntes Medium bezogenen Referenzsignals (a) verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur analytischen Bestimmung der Dielektrizitätskonstante ein autoregressives Modell aus dem Übersprechsignal im Zeitbereich gebildet wird, mit Trans formation des digitalisierten Signals in die z-Ebene, Bestimmung der Polstellen in der s-Ebene, d. h. der fourier- oder laplacetransformierten Darstellung des digitalen, diskreten Signals und Vergleich der Frequenzwerte (ω) und/oder der Dämpfungswerte (σ) gegenüber vorgegebenen Vergleichswerten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auto regressives Modell zweiter Ordnung als Analyse-Algorithmus verwendet wird.

6. Elektromagnetischer Sensor zur Erkennung von Fremd körpereinschlüssen in durch Flächen umgrenzten Medien, insbesondere Beton, Ziegelwerk, Gips, Holz oder Gasen, der mit einer während einer Erkennungs messung auf eine Begrenzungsfläche des Mediums (13) aufzusetzenden, als handliche Baueinheit realisierten Sende- und Empfangsantenne (10) für eine Radarwelle ausgerüstet ist, gekennzeichnet durch eine in den Sensor integrier te Einrichtung, die sicherstellt, daß nach dem Aufsetzen der Sende- und Emp fangsantenneneinheit (10) auf die Begrenzungsfläche und Auslösen eines Meß vorgangs zunächst nur eine Radarwelle reduzierter Leistung über die Sendean tenne (2) in das Medium (13) eingestrahlt wird, die ausreicht, um eine Detektion des unter der Antenneneinheit (10) befindlichen Mediums über die Bestimmung seiner Absorptionsfähigkeit für elektromagnetische Wellen nach dem in einem der vorstehenden Ansprüche definierten Verfahren durchzuführen, und die in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Detektion bei Überschreiten einer Mindestab sorption des Mediums eine Umschaltung auf eine Fremdkörper-Erkennungsmes sung bei höherer Leistung der Radarwelle bewirkt und bei Unterschreiten dieser Mindestabsorption ein Meldesignal auslöst.