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

Herrmann, Ralf

Die vorliegende Dissertation beschreibt einen innovativen ultra-breitband (UWB)elektromagnetischen Sensor basierend auf einem Pseudo-Rauschverfahren.Der Sensor wurde für zerstörungsfreies Testen in zivilen Anwendungen entwickelt.Zerstörungsfreies Testen entwickelt sich zu einem immer wichtiger werdenden Bereich in Forschung und Entwicklung. Neben unzähligen weiteren Anwendungen und Technologien, besteht ein primäres Aufgabenfeld in der Überwachung und Untersuchung von Bauwerken und Baumaterialien durch berührungslose Messung aus der Ferne.Diese Arbeit konzentriert sich auf das Beispiel der Auflockerungszone im Salzgestein.Der Hintergrund und die Notwendigkeit, den Zustand der oberflächennahen Salzschichten in Salzminen kennen zu müssen, werden beleuchtet und die Messaufgabe anhand einfacher theoretischer Überlegungen beschrieben. Daraus werden die Anforderungen für geeignete UWB Sensoren abgeleitet. Die wichtigsten Eigenschaften sind eine sehr hohe Messband breite sowie eine sehr saubere Systemimpulsantwort frei von systematischen Gerätefehlern. Beide Eigenschaften sind notwendig, um die schwachen Rückstreuungen der Auflockerungen trotz der unvermeidlichen starken Oberflächenreflexion detektieren zu können.Da systematische Fehler bei UWB Geräten technisch nicht von vorne herein komplett vermeidbar sind, muss der Sensor eine Gerätekalibrierung erlauben, um solche Fehler möglichst gut zu unterdrücken.Aufgrund der genannten Anforderungen und den Nebenbedingungen der Messumgebung unter Tage, wurde aus den verschiedenen UWB-Technologien ein Prinzip ausgewählt, welches pseudozufällige Maximalfolgen als Anregungssignal benutzt. Das M-Sequenzkonzept dient als Ausgangpunkt für zahlreiche Weiterentwicklungen. Ein neues Sendemodul erweitert dabei die Messbandbreite auf 12~GHz. Die äquivalente Abtastrate wird um den Faktor vier auf 36~GHz erhöht, ohne den geringen Abtastjitter des ursprünglichen Konzepts zu vergrössern.Weiterhin wird die Umsetzung eines Zweitormesskopfes zur Erfassung von S-Parametern sowie einer automatische Kalibriereinheit beschrieben. Etablierte Kalibrierverfahren aus dem Bereich der Netzwerkanalyse werden kurz rekapituliert und die Adaption des 8-Term Verfahrens mit unbekanntem Transmissionsnormal für das M-Sequenzsystem beschrieben. Dabei werden Kennwerte vorgeschlagen, die dem Bediener unter Tage einfach erlauben, die Kalibrierqualität einzuschätzen und Hinweise auf mögliche Gerätefehler oder andere Probleme zu bekommen. Die Kalibriergenauigkeit des neuen Sensors im Labor wird mit der eines Netzwerkanalysators verglichen. Beide Geräte erreichen eine störungsfreie Dynamik von mehr als 60~dB in den Systemimpulsantworten für Reflexion und Transmission.Der neu entwickelte UWB Sensor wurde in zahlreichen Messungen in Salzminen in Deutschland getestet. Zwei Messbeispiele werden vorgestellt - ein sehr alter, kreisrunder Tunnel sowie ein ovaler Tunnelstumpf, welcher kurz vor den Messungen erst aufgefahren wurde. Messaufbauten und Datenverarbeitung werden beschrieben. Schließlich werden Schlussfolgerungen und Vorschläge für zukünftige Arbeiten mit dem neuen M-Sequenzsensor sowie der Messung von Auflockerungen im Salzgestein diskutiert.

This dissertation describes an innovative ultra-wideband (UWB) electromagnetic sensor device based on a pseudo-noise principle developed in the context of non-destructive testing in civil engineering.Non-destructive testing is becoming a more and more important fieldfor researchers and engineers alike. Besides the vast field of possibleapplications and testing technologies, a prime and therefore typical topic is the inspection and monitoringof constructions and materials by means of contactless remote sensing techniques.This work focuses on one example the assessment of the disaggregation zone in salt rock tunnels.The background and relevance of knowing the state of salt rock layers near a tunnel's surface are explainedand simple theoretical considerations for requirements of suitable UWB sensor devices are shown. The most important sensor parameters are a very large measurement bandwidth and a very clean impulse response. The latterparameter translates into the mandatory application of calibration techniques to remove systematic errors of the sensor system itself. This enables detection of weak scattering responses from near-surface disaggregation despite the presence of a strong surface reflection.According to the mentioned requirements and other side conditions in salt mine environments an UWB sensor principlebased on pseudo-noise stimuli namely M-Sequences is selected as a starting point for system development. A newtransmitter frontend for extending the stimulus bandwidth up to 12~GHz is presented. Furthermore, a technique for increasing the (equivalent) sampling rate while keeping the stable and low-jitter sampling regime of the M-Sequencesapproach is introduced and its implementation is shown. Moreover, an automatic calibration unit for full two-port coaxial calibration of the new UWB sensor has been developed. Common calibration techniques from the area of vector network analysers are shortly reviewed and a reasonablealgorithm the 8-term method with an unknown line standard - is selected for the M-Sequences device. The 8-term method is defined in the frequency domain and is adapted for use with time domain devices. Some performance figures and comparisonwith calibration results from network analysers are discussed to show the effectiveness of the calibration.A spurious-free dynamic range of the time domain impulse responses in excess of 60~dB has been achieved for reflection as well as transmission measurements.The new UWB sensor was used in various real world measurements in different salt mines throughout Germany. Two measurementexamples are described and results from the disaggregation zone of a very old and a freshly cut tunnel will be presented. Measurement setup and data processing are discussed and finally some conclusions for future work on this topic are drawn.

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Herrmann, Ralf: M-sequenze based ultra-wideband radar and its application to crack detection in salt mines. 2011.

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