Abbildendes Radarsystem für die Rohstoffindustrie: Systemkonzept mit applikationsbezogener Signalverarbeitung eines abbildenden Radarsystems mit digitaler Strahlformung zur Positionierung, Kollisionsvermeidung und Oberflächernerfassung
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Aachen
Zillekens
2013
|
| Ausgabe: | 1. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Aachener Schriften zur Rohstoff- und Entsorgungstechnik des Instituts für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie
83 |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XIII, 258 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783941277199 |
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| adam_text | Abbildendes Radarsystem
für die Rohstoffindustrie
Systemkonzept mit applikationsbezogener Signalverarbeitung
eines abbildenden Radarsystems mit digitaler Strahlformung zur
Positionierung, Kollisionsvermeidung und Oberflächenerfassung
Von der Fakultät für
Georessourcen und Materialtechnik der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Martin Hermann Hahn
aus Bochum
Berichter:
Univ -Prof Dr -Ing Karl Nienhaus
Univ -Prof Dr -Ing Ulrich Epple
Tag der mündlichen Prüfung: 15 Oktober 2013
JLB Darmstadt
19036332
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen und Formelzeichen vii
1 Einleitung und Motivation 1
1 1 Zielsetzung 3
1 2 Struktur der Arbeit 4
2 Radartechnische Grundlagen 5
2 1 Eindimensionales Dauerstrich-Radarverfahren 5
211 Continuous Wave-Radarverfahren 6
212 Doppler CW-Radarverfahren 6
213 Frequenzmoduliertes Radarverfahren 6
2 2 Mehrdimensionale Radarverfahren zur Winkelabbildung 9
221 Elektronische Winkelabbildung durch Einzelantennensysteme 10
222 Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne 11
223 Digitale Strahlenformung 13
3 Stand der Technik in relevanten Bereichen 15
3 1 Kommerzielle Systeme zur Vermeidung von Kollisionen im Bergbau 16
311 Überwiegend untertägig eingesetzte CAS-Systeme 16
312 CAS-Systeme für den überwiegend übertägigen Einsatz 18
3 2 Entwicklungen hinsichtlich abbildender Radarsensoren im Automobil-
bereich 20
3 3 Relevante Forschungsaktivitäten im Bereich der Radarsensorik 23
331 University of Sydney 23
332 Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation 24
333 Johannes Kepler Universität Linz 24
334 Karlsruher Institut für Technologie 24
3 4 Schlussfolgerungen aus derzeitig verwendeten Sensoren und Systemen 25
4 Konzept eines abbildenden Radarsystems für die Rohstoffindustrie 27
4 1 Anwendungsbereiche im Bergbau und deren Anforderungen 27
411 Maschinenspezifische Anforderungen 29
412 Umweltanforderungen 29
4 2 Sensor-Hardware 30
421 Grundkonzept und synthetische Apertur 31
iii
iv Inhaltsverzeichnis
422 Hardwarekomponenten des DBF-Sensors 33
423 Überblick der DBF-Testsensoren 36
4 3 Radar-Signalverarbeitung 43
431 Ablauf der Signalauswertung 43
432 Auswertung in radialer Richtung 46
433 FFT-basierte Verfahren in Querrichtung 47
434 Subraumbasierte Verfahren in Querrichtung 50
435 Prinzipielle Unterschiede der Verfahren in Querrichtung 54
436 Zieldetektion 56
437 Weiterverarbeitung 61
4 4 -Kalibration der Sensorik 63
4 5 Implementierung der Auswertealgorithmik 64
451 Framework 65
452 Analysesoftware iRES 66
453 Datenformate 67
454 Operatorstruktur 67
5 Experimentelle Voruntersuchungen im Labor und im Feld 71
5 1 Konzeptionelle Verifikation bei 77 GHz 72
5 2 Eigenschaften des Sensorkonzeptes 74
5 3 Gegenüberstellung der Verfahren zur Auswertung in Querrichtung 78
531 FFT-basierende Verfahren 78
532 Subraumbasierte Verfahren 82
5 4 Genauigkeit und Sensitivität 86
541 Entfernungsgenauigkeit 86
542 Genauigkeit in Querrichtung 87
543 Dynamikvergleich 90
5 5 Zieldetektion in Querrichtung 92
551 Cell-Aver aging 93
552 Cell-Averaging mit Greatest-Of Auswahl 95
553 Ordered Statistic 95
5 6 Zieldetektion in Entfernungsrichtung 98
5 7 Radartechnische Aufnahme einer Böschung 101
571 Messaufbau 101
572 Ablauf der Datenauswertung 102
573 Messergebnisse 104
5 8 Optimierung und Performancesteigerungen 106
581 Optimierung der Signalverarbeitung 107
582 Erzielbare Gesamtbildrate nach der Datenerfassung 112
583 Eignung von GPGPU-Architekturen 114
584 Steigerung der Performance durch GPGPU-Architekturen 115
Inhaltsverzeichnis
6 Evaluation am Anwendungsbeispiel eines Elektrischen Seilbaggers 119
6 1 Arbeitsabläufe eines elektrischen Seilbaggers 119
6 2 Relevante Forschungsergebnisse für den Anwendungsfall eines Elektri-
schen Seilbaggers 121
6 3 Ziel der Untersuchung 122
631 Messsystem zur parallelen Datenaufzeichnung 123
632 Messvorrichtung und Sensor Positionen 124
633 Verwendete Messkonfigurationen 125
6 4 Sensor-Registrierung und Daten-Referenzierung 128
6 5 Positionsschätzung des zu beladenden SKWs 130
651 Messergebnisse mit Hilfe des Basisverfahrens 132
652 Messergebnisse mit alternativen Verfahren zur Querauswertung
und Zieldetektion 138
653 Einfluss von Winkelreflektoren auf die Positionsschätzung 139
6 6 Erstellung digitaler Geländemodelle 140
661 Erstellung der Referenzdaten 141
662 Messergebnisse mit Hilfe des Basisverfahren 141
663 Messergebnisse mit alternativen Verfahren zur Querauswertung
und Zieldetektion 145
6 7 Detektion von Personen 146
6 8 Ursachen der gemessenen Abweichungen 149
7 Diskussion der Messergebnisse 151
7 1 Experimentelle Voruntersuchungen und Radarbildraten 151
7 2 Ergebnisse des Praxiseinsatzes 153
7 3 Grenzen des abbildenden Radarsystems 154
8 Ausblick 157
9 Zusammenfassung 159
Literaturverzeichnis 163
Abbildungsverzeichnis 187
Tabellenverzeichnis 193
A Anhang 195
A l Historische Vorentwicklungen 195
A 2 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen 198
A21 Frequenzen und Regularien 198
A22 Reflexion 199
A23 Streuung an rauen Oberflächen 200
VI
Inhaltsverzeichnis
A24 Dämpfungseinflüsse 202
A25 Kohärenz 204
A26 Nahfeld-Fernfeld Relation 204
A27 Leistungsbilanz 205
A28 Beurteilung nach der spezifischen Absorptionsrate 206
A 3 Anschaulicher Vergleich der Verfahren zur Auswertung in Querrichtung 207
A31 FFT-basierte Verfahren 207
A32 Subraumbasierte Verfahren 210
A 4 Anschaulicher Vergleich der angewendeten Verfahren zur Zieldetektion 218
A41 Cell-Averaging-CFAR 218
A42 Cell-Averaging Greatest-Of-CFAR 219
A43 Ordered Statistic-CFAR 220
A 5 Kalibrierung des Radarsensors 221
A51 Praktische Bestimmung der Kalibrierparameter 221
A52 Durchführung der Kalibrierung 223
A 6 Ergebnisse der Zieldetektion in Querrichtung am Beispiel eines Kollisi-
onsobjektes 226
A61 Cell-Averaging-CFAR 226
A62 Cell-Averaging Greatest-Of-CFAR 229
A63 Ordered Statistic-CFAR 229
A 7 Darstellungen zur Auswertung der radartechnischen Vermessung einer
Böschung 231
A 8 Rotations- und Translationsmatrizen 233
A 9 Messergebnisse am Anwendungsbeispiel eines Elektrischen Seilbaggers 234
A91 Ergebnisse aufgenommen mit dem DBF-Sensor in der Messkon-
figuration MK2 234
A92 Ergebnisse aufgenommen mit dem DBF-Sensor in der Messkon-
figuration MKl 236
A93 Ergebnisse aufgenommen mit dem DBF-Sensor in der Misch-
konfiguration MK23 237
A94 Ergebnisse aufgenommen mit dem Lasermesssensor LD-MRS 238
A95 Ergebnisse aufgenommen mit dem Lasermesssensor LD-LRS 239
A96 Ergebnisse aufgenommen mit dem Lasermesssensor LD-LMS 240
A97 Messergebnisse zur Erstellung digitaler Geländemodelle 241
A98 Häufigkeitsdichtefunktion des Lasermesssensors LDLRS-3100 243
A99 Messergebnisse aus der Messposition unterhalb des Auslegers 244
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| series2 | Aachener Schriften zur Rohstoff- und Entsorgungstechnik des Instituts für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie |
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