Efficient material characterization by means of the Doppler effect in microwaves

Abstract

Subject of this thesis is the efficient material characterization and defects detection by means of the Doppler effect with microwaves. The first main goal of the work is to develop a prototype of a microwave Doppler system for Non-Destructive Testing (NDT) purposes. Therefore it is necessary that the Doppler system satisfies the following requirements: non-expensive, easily integrated into industrial process, allows fast measurements. The Doppler system needs to include software for hardware control, measurements, and fast signal processing. The second main goal of the thesis is to establish and experimentally confirm possible practical applications of the Doppler system. The Doppler system consists of the following parts. The hardware part is designed in a way to ensure fast measurement and easy adjustment to the different radar types. The software part of the system contains tools for: hardware control, data acquisition, signal processing and representing data to the user. In this work firstly a new type of 2D Doppler amplitude imaging was developed and formalized. Such a technique is used to derive information about the measured object from several angles of view. In the thesis special attention was paid to the frequency analysis of the mea- sured signals as a means to improve spatial resolution of the radar. In the context of frequency analysis we present 2D Doppler frequency imaging and compare it with amplitude imaging. In the thesis the spatial resolution ability of CW radars is examined and im- proved. We show that the joint frequency and the amplitude signal processing allows to significantly increase the spatial resolution of the radar.

Das Thema dieser Dissertation ist die effiziente Materialcharakterisierung und Fehlerdetektion durch Nutzung des Dopplereffektes mittels Mikrowellen. Das erste Hauptziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Prototyps eines Mikrowellen-Doppler-Systems im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung. Das Doppler-System muss folgenden Voraussetzungen erfüllen: es sollte preisgünstig sein, leicht in industrielle Prozesse integrierbar sein und schnelle Messungen erlauben. Das Doppler-System muss die Software für die Hardware-Kontrolle, den Messablauf und die schnelle Signalverarbeitung beinhalten. Das zweite Hauptziel der Dissertation ist es, mögliche praktische Anwendungsfelder des Doppler-Systems zu identifizieren und experimentell zu bearbeiten. Das Doppler-System besteht aus zwei Teilen. Der Hardware-Teil ist so konstruiert, dass er schnelle Messungen und leichte Anpassungen an verschiedene Sensor- und Radartypen zulässt. Der Software-Teil des Systems beinhaltet Werkzeuge für: Hardware-Kontrolle, Datenerfassung, Signalverarbeitung und Programme, um die Daten für den Benutzer zu präsentieren. In dieser Arbeit wurde zuerst ein neuer Typ der 2D-Doppler-Amplitudenbildgebung entwickelt und formalisiert. Dieser Technik wird dafür benutzt, Informationen über die gemessenen Objekte von verschiedenen Blickpunkten aus zu erhalten. In dieser Doktorarbeit wird der Frequenzanalyse der gemessenen Signale besondere Aufmerksamkeit geschenkt, um die Ortsauflösung des Radars zu verbessern. Im Kontext der Frequenzanalyse wird die 2D-Doppler-Frequenzbildgebung präsentiert und mit der Amplitudenbildgebung vergleichen. In dieser Dissertation werden die räumliche Auflösungsmöglichkeiten von CW-Radaren untersucht und verbessert. Es wird gezeigt, dass es die Frequenz- und Amplitudensignalverarbeitung erlaubt, die Ortsauflösung des Radars erheblich zu erhöhen.