Hochschulschrift:
Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2021
Anmerkungen:
Beschreibung:
Abstract: This thesis addresses the question of whether millimeter-wave-based measuring systems can be used to tomographically examine composite materials, and if so, how they can be applied effectively. Current measurement methods have their own advantages and disadvantages, be it a limited penetration depth, the inability to provide tomographic information, the requirement of a coupling medium, hazardous radiation, or even the destruction of the sample. Which, in turn, prevents their unrestricted use. Measuring systems based on millimeter waves do not have these disadvantages in theory and enable contact-free and nondestructive tomographic measurement of such components. Especially the possibility, besides a mere defect detection, to classify and determine the spatial spread of the detected defects, enables an optimal quality assurance of the components.<br><br>Based on the overarching question, the propagation behavior of millimeter waves in composite materials is initially investigated theoretically. This propagation model is based on rigorous coupled-wave analysis and enables the definition of critical system parameters, as well as the determination of the potential and limitations of measurement systems based on millimeter waves. Based on these results, an imaging radar system is developed and demonstrated. Thereby, two radar systems, one operating in the range of 100 GHz and the other in the range of 240 GHz, are developed, investigated, and compared in the context of their properties to generate tomographic radar images.<br><br>In order to optimally transform the recorded radar data into tomographic images, various algorithms, specifically developed for this application, are proposed and compared. One of the algorithms is based on the evaluation of the signal's intensity, while the other algorithm is based on the evaluation of the signal's phase. Finally, laboratory-made samples of composite materials are analyzed using the developed imaging systems. Based on the developed algorithms, tomographic images of the measured data are then generated. Ultimately, this demonstrates and confirms the predicted potential of a millimeter wave-based tomographic inspection of composite materials
Abstract: Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Fragestellung ob und wie gut millimeterwellenbasierte Messsysteme dazu genutzt werden können, um Faserverbundwerkstoffe tomographisch zu untersuchen. Aktuell eingesetzte Messmethoden haben jeweils individuelle Nachteile, sei es eine begrenzte Eindringtiefe, die Unfähigkeit tomographische Informationen zu liefern, die Notwendigkeit eines Kopplungsmediums, gefährliche Strahlung oder sogar die Zerstörung der Probe, was eine uneingeschränkte Nutzung ihrerseits verhindert. Messsysteme, basierend auf Millimeterwellen, haben diese Nachteile theoretisch nicht und ermöglichen ein kontaktfreies und zerstörungsfreies tomographisches Vermessen der Komponenten. Gerade die Möglichkeit, neben der reinen Fehlerdetektion, auch eine genaue Klassifikation und Bestimmung der räumlichen Ausbreitung aller detektierten Fehler zu erhalten, ermöglicht eine optimale Qualitätssicherung der Bauteile.<br>Ausgehend von der übergeordneten Fragestellung wird zunächst das Ausbreitungsverhalten von Millimeterwellen in Faserverbundwerkstoffen theoretisch untersucht. Dieses, im Rahmen der Arbeit entwickelte Ausbreitungsmodell, basiert auf der Rigorous Coupled-Wave Analysis und ermöglicht die Definition kritischer Systemparameter, sowie die Bestimmung der Möglichkeiten und Einschränkungen von Messsystemen basierend auf Millimeterwellen. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse wird ein abbildendes Radarsystem entwickelt und demonstriert. Dabei werden zwei Radarsysteme, eines im Bereich von 100 GHz und das andere im Bereich von 240 GHz, entwickelt, untersucht und im Zusammenhang mit ihren Eigenschaften zur Erzeugung tomographischer Radarbilder verglichen.<br>Um die aufgenommenen Radardaten optimal in tomographische Bilder umwandeln zu können werden verschiedene, eigens für diese Anwendung entwickelte, Algorithmen vorgestellt und verglichen. So basiert einer der Algorithmen auf der Auswertung der Signalintensität und der andere auf einer Auswertung der Phase der Signale. Schließlich werden Laborproben von Faserverbundwerkstoffen mit den entwickelten Systemen untersucht und Radarbilder werden, mittels der entwickelten Messsysteme und Algorithmen, erstellt. Damit wird schlussendlich das vorhergesagte Potential einer millimeterwellenbasierten tomographischen Untersuchung von Faserverbundwerkstoffen demonstriert und bestätigt