GPR
Das Bodenradar (GPR) ist eine der gängigsten geophysikalischen Erkundungsmethoden für oberflächennahe Untersuchungen. Moderne Inversionstechnik von GPR-Messungen kann eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von einigen Zentimetern liefern, was für viele oberflächennahe Untersuchungen interessant ist.
Die Genauigkeit von invertierten GPR-Daten wird häufig eingeschränkt durch unbekannte Übertragungsfunktionen für den Signalweg von der Antenne in den Boden und den großen Aufwand, um die für die Tomographie erforderliche große Anzahl von GPR-Messungen zu erhalten. Letztere begrenzt auch die zeitliche Auflösung bei Monitoringaufgaben.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird ein skalierbares Mehrkanal-Tomographiesystem entwickelt, das über genügend Kanäle verfügt, um ein hochauflösendes GPR-Monitoring zu ermöglichen, ohne dass die Antennen während der Messungen bewegt werden müssen. Dieses Messsystemkonzept ermöglicht die Messung eines kompletten Tomogramms innerhalb weniger Sekunden.
Technische Herausforderung
Im Vergleich zu herkömmlichen GPR-Aufbauten und -Systemen sind unsere Anforderungen besonders herausfordernd hinsichtlich der Anzahl der Kanäle, der Dichte von Antennen und der Integration des Systems in den experimentellen Gesamtaufbau. Die größten Herausforderungen sind daher das maßgeschneiderte Design des GPR-Antennen-Arrays und die Synchronisierung von mehreren hundert ADC-Kanälen. Weitere Herausforderungen sind die Steuerung des Systems und die effiziente Erfassung und Speicherung der Messdaten.
Die erste Anwendung des GPR-Systems erfolgt in einem Laboraufbau an einer zylindrischen Bodensäule. Unser skalierbares System besteht aus 39 Multi-Antennen-Kacheln mit jeweils 64 Antennen, die zum Senden und Empfangen von GPR-Signalen verwendet werden können. Jede Kachel muss präzise auf eine zentrale Zeitbasis synchronisiert werden, um kleine Unterschiede in der Signallaufzeit aufzulösen zu können. Diese kleinen Laufzeitunterschiede werden in die Permittivität des Bodens umgerechnet. Jede Kachel enthält die Hardware für die Datenerfassung (DAQ), die einen Impulsgenerator, mehrere ADCs und eine CPU für die ersten Verarbeitungsfunktionen umfasst. Die 64 Antennen sind über einen Multiplexer mit dem DAQ verbunden. Ein Tx/Rx-Modus-Schalter steuert, ob eine Antenne Signale senden oder empfangen soll.
Die Datenerfassung (DAQ) wird auf Basis von RF-System-on-Modulen (RF-SoM) realisiert. Diese Module verwenden als Kernelement einen Xilinx-Chip (RF-SoC), der eine Verarbeitungseinheit, einen FPGA, acht ADCs und acht DACs enthält. Die Module steuern die Taktgeber, die sich mit dem Hauptmodul synchronisieren und die Synchronisationssignale an die nachfolgenden DAQ-Einheiten weiterleiten. Sie steuern den Signalgenerator und empfangen und verarbeiten die empfangenen Signale. Ein eingebetteter MQTT-Client überträgt Housekeeping-Daten und Messdaten. Das Modul ist mit einem Spartan-FPGA verbunden, das zur Steuerung der analogen Schaltungen, d. h. des Multiplexers und der programmierbaren Verstärker, verwendet wird.
Die so genannte „time-zero“-Kalibrierung eines GPR-Systems stellt sicher, dass nur die Laufzeit des Pulses innerhalb des Mediums zur Berechnung der Mediumseigenschaften verwendet wird. Zusätzliche Laufzeiten innerhalb des Systems müssen bekannt sein und subtrahiert werden, wenn die gemessenen Signale mit den modellierten Signalen im Inversionsprozess verglichen werden. Der übliche Ansatz besteht darin, einmal mit einem bekannten Antennenabstand und einem bekannten Medium zwischen den Antennen zu messen. Da dies in dem von uns angestrebten Aufbau mit einem realen, der Natur entnommenen Boden und einigen tausend fest an der Bodensäule montierten Antennen nicht möglich ist, musste eine neuartige In-situ-Kalibrierung entwickelt werden. Die Kalibrierung basiert auf parasitären Effekten innerhalb der analogen Schaltung und nutzt die kombinierte Tx/Rx-Schaltung unserer Antennenkanäle. Weitere Einzelheiten finden Sie in Steinbeck et al., 2023.
Das Antennendesign hat neben der Synchronisation und der Datenerfassung einen großen Einfluss auf die Leistung des gesamten GPR-Systems. Es kann für jede Anwendung sehr spezifisch sein. Für die vorgesehene Anwendung müssen die Antennen eine große Bandbreite bei geringer Größe und, im Idealfall, eine isotrope Abstrahlung aufweisen. Aufgrund des festen Aufbaus muss die Antenne diese Eigenschaften auch dann aufweisen, wenn sie in einem Antennen-Array eingebunden ist. Wir entwickeln diese Antennen mit einem modellbasierten Ansatz, d. h. wir verwenden analytische Methoden, modernste elektromagnetische Modellierung (z. B. CST von Dassault) und anwendungsorientierte Software (z. B. GPRmax) zur Optimierung des Antennendesigns. Vielversprechende Designs werden mit unseren Messgeräten und -laboren (Keysight VNA, Spektrumanalysatoren, EMV-Kammer, usw.) in einem iterativen Entwicklungsprozess verifiziert.
Kontakt
- Institute of Technology and Engineering (ITE)
Raum 214