Ein Ultra-Breitband Verfahren zur Charakterisierung beliebig geformter dielektrischer Objekte im Freiraum

Mextorf, Henning

Diese Arbeit stellt ein Freiraum-Verfahren vor, mit dem die Charakterisierung von dielektrischen Objekten unabhängig von ihrer geometrischen Form, Größe und Orientierung möglich ist. Dielektrische Objekte unregelmäßiger Form werden mit UWB-Signalen beleuchtet. Anteile der gestreuten Pulse werden mit mehreren Empfangsantennen aufgenommen. Diese enthalten sowohl Informationen über die geometrischen, als auch über die dielektrischen Eigenschaften. Um diese Informationen voneinander zu trennen, erfolgt die Anwendung statistischer Verfahren, die bereits aus anderen Bereichen wie der Bildverarbeitung oder der Nahinfrarotspektroskopie bekannt und etabliert sind. Dieser Ansatz wird anhand von Simulationen und Messungen überprüft. Mehrere Simulationsreihen mit nicht-dispersiven und dispersiven Objekten werden durchgeführt. Die gewonnenen Zeitbereichsdaten werden dann den statistischen Verfahren Haupt\-komponentenanalyse und -Regression, Partial-Least-Squares-Regression, künstlichen neuronalen Netzen und linearer Diskriminanzanalyse zugeführt. Damit ist es möglich, statistische Modelle für die dielektrischen Eigenschaften der Objekte zu entwickeln. Auch andere Parameter, wie z.B. das Volumen, können vorhergesagt werden. Eine Klassifizierung der Objekte ist ebenfalls möglich. Hierbei geht es um die Klassifizierung bezüglich der geometrischen Erscheinung, aber auch der dielektrischen Eigenschaften. Es wird untersucht, wie sich die Qualität der Empfangssignale auf die Genauigkeit der statistischen Verfahren auswirkt. Es wird ein vollständig automatisiertes Messsystem zur Evaluierung des Verfahrens in der Praxis unter Laborbedingungen vorgestellt. Im Speziellen wird auf das Antennensystem und dessen Entwicklung, die Messsignalgenerierung- und abtastung und die Signalvorverarbeitung eingegangen. Vier Messreihen verschiedenartiger Objekte werden vorgestellt. Mit den statistischen Verfahren ist es möglich, Materialparameter wie Wassergehalt, Feuchte, Graphitgehalt und Permittivität zu bestimmen. Die Genauigkeit der Verfahren wird mit Hilfe von Referenzverfahren bewertet und verglichen. Um für das mit Laborgeräten untersuchte Verfahren Praxistauglichkeit nachzuweisen, wird ein dediziertes Zeitbereichs-Transmissions-Messsystem entwickelt, welches speziell auf die Anforderungen zugeschnitten ist. Es kommt dementsprechend mit weit weniger Hardware und Software aus und ist zudem kompakter und kostengünstiger als ein universelles Laborgerät. Die Entwicklung des Systems, seine Leistungsfähigkeit und ausgewählte Messreihen und deren Auswertung werden vorgestellt.

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Mextorf, Henning: Ein Ultra-Breitband Verfahren zur Charakterisierung beliebig geformter dielektrischer Objekte im Freiraum. 2013.

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