DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Datenfusion komplementärer Impuls-Echo Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Betonbauteilen

Christoph Kohl , Martin Krause , Christiane Maierhofer , Jens Wöstmann , Herbert Wiggenhauser* Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
Kontakt: Dipl.-Ing. Christoph Kohl

1 Einleitung

Zum Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland gehören ca. 36.000 Brücken mit einer gesamten Fahrbahnfläche von ca. 25,6 Mio. m², 158 Tunnel mit einer Gesamtlänge von ca. 116 km und eine große Anzahl anderer Ingenieurbauwerke wie z.B. Stützwände, Schallschutzwände usw.. Für den Unterhalt der Brücken und der anderen Ingenieurbauwerke des bundesdeutschen Verkehrsstraßennetzes wurden im Jahr 2001 ca. 350 Mio. Euro aufgewendet. Prognosen sagen eine Erhöhung dieser Unterhaltskosten exklusiv aller Neubaukosten innerhalb der nächsten 15 Jahre von bis zu 100 % voraus. Diese Steigerung wird verursacht durch die ungenügende Dauerhaftigkeit vieler Bauwerke, die im Zeitraum von 1960 bis 1970 errichtet wurden. Hinzu kommt, dass der zunehmende Verkehr auf den Straßen, verbunden mit höheren Radlasten, zu einer Verminderung der erwarteten Lebensdauer der Brücken führt [1].
Die Anwendung leistungsfähiger Zerstörungsfreier Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau-Verfahren) zur großflächigen Untersuchung von Brücken vor und nach der Fertigstellung könnte zu einer Entspannung dieser Situation beitragen. Ausgehend von diesem Hintergrund wurde am 01.01.2001 die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte netzbasierende Forschergruppe 384 (FOR384) zu dem Thema "Zerstörungsfreie Strukturbestimmung von Betonbauteilen mit akustischen und elektromagnetischen Echoverfahren" initiiert (www.for384.uni-stuttgart.de) [2 ,3]. Das Ziel des Projektes ist die Weiterentwicklung der ZfPBau-Verfahren Radar, Ultraschall und Impact-Echo in Bezug auf ihre Anwendungsmöglichkeiten im Bauwesen. Eines der Arbeitspakete beinhaltet die Datenfusion.
Im Rahmen dieses Arbeitspaketes werden Untersuchungen zur Kombination der drei Verfahren durchgeführt. Natürlich beziehen sich diese Untersuchungen ebenfalls auf Messdaten, die nur mit einem dieser Verfahren, aber in unterschiedlichen Messkonfigurationen aufgenommen wurden. Das Ziel der Datenfusion ist die Zusammenfassung der komplementären Informationen zu einem Datensatz, was die Interpretierbarkeit der Messergebnisse wesentlich vereinfacht, speziell bei folgenden Prüfprobleme:

  • Ortung von schlaffer und vorgespannter Bewehrung und anderer konstruktiver Elemente
  • Ortung von Hohlstellen und Ablösungen
  • Untersuchung und Aufklärung von Mehrschichtsystemen
  • Dickenmessung bei nur einseitigem Zugang.

Die Messungen können sowohl manuell als auch automatisiert mit einem Scanner durchgeführt werden. Die automatisierten Messungen haben im Vergleich zu den herkömmlichen manuellen Messungen den Vorteil, eine konstant hohe Positionierungsgenauigkeit auch bei großflächigen Untersuchungen zu ermöglichen. In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Kombination von Messungen an unterschiedlichen Prüfobjekten zur Untersuchung von Spannkanälen vorgestellt.

2 Grundlagen

2.1 Datenaufnahme

Die Datenaufnahme kann sowohl manuell als auch automatisiert erfolgen. Für die automatisierten Messungen wurden an der BAM verschiedene Scanner speziell für flächige Prüfungen im Bauwesen entwickelt (siehe Abbildung 1) [4,5].

Abb 1: Darstellung des großen Scanners (max. Messfläche = 4 m x 10 m) bestückt mit der 1,5 GHz Radarantenne.
Abb 2: Ultraschall-S/E-Array und Impact-Echo-Messkopf, gleichzeitig am Scanner montiert, im abgesenkten Zustand (links), 1,5 GHz Radarantenne am Scanner, montiert bei einer kontinuierlichen Messung mit konstantem Abstand zur Oberfläche (rechts).

Diese Scanner sind in der Lage, verschiedene Messsensoren z.T. gleichzeitig aufzunehmen (siehe Abbildung 2). Abhängig von den Messverfahren können die Sensoren kontinuierlich mit einem konstanten Abstand über die Oberfläche geführt oder in einem vorher definierten Punktabstand direkt auf dieser abgesenkt werden. Ein ebenfalls an der BAM konzipiertes Steuer- und Messwerteerfassungsprogramm gewährleistet die Ansteuerung der Scanner.

Die Scannermessungen haben gegenüber den herkömmlichen manuellen Messungen den Vorteil, große Flächen mit einer konstant hohen Positionierungsgenauigkeit und einer verfahrensabhängig hohen Geschwindigkeit (z.B. vRadar > vImpact-Echo) automatisiert vermessen zu können. Messpersonal ist nur ggf. zur Überwachung der Messung und für den Auf- und Abbau des Scanners erforderlich.

2.2 Verfahren

Das Impuls-Radar Verfahren beruht auf dem Prinzip des Geo-Radars, dessen Technik bereits mehr als ein halbes Jahrhundert bekannt ist und in der Geophysik zur Bodenerkundung erfolgreich eingesetzt wird [6]. Durch Entwicklungen auf dem Gebiet der Hochfrequenztechnik sowie von leistungsfähigeren Computersystemen, in Verbindung mit der fortschreitenden technischen Miniaturisierung, ist es seit Anfang der 90er Jahre auch möglich, kleinere Strukturen zu untersuchen. Damit kommt dieses Verfahren auch immer stärker im Bauwesen zur Anwendung, speziell bei Strukturuntersuchungen von Betonbauteilen und Mauerwerk [7,8,9] oder auch zur Feuchtemessung [10,11].
Das Impuls-Radar Verfahren basiert auf dem Aussenden und Empfangen kurzer elektromagnetischer Impulse (typischerweise besteht ein abgestrahlter Impuls aus drei Halbwellen) mit einer Dauer von ca. 1 ns. Die Mittelfrequenz der Impulse für die relevanten Anwendungsgebiete im Bauwesen liegt bei ca. 300 MHz bis 2,5 GHz. Wie die Abbildung 3 zeigt, breiten sich die Impulse im zu untersuchenden Bauteil aus und werden an den Grenzflächen von Materialien mit unterschiedlichen, dielektrischen Eigenschaften wie z.B. Bewehrung, Hüllrohre, Verdichtungsmängel oder auch Schichtengrenzen von mehrschichtigen Systemen reflektiert. In der Antenne, die über die Oberfläche des Messobjektes geführt wird, ist sowohl ein Sender als auch ein Empfänger integriert. Letzterer empfängt die reflektierten Impulse und leitet diese an das Radargerät zur Datenerfassung weiter. Später können dann die aufgenommenen Signale mit Hilfe eines Computers bezüglich der Intensität und Laufzeit ausgewertet werden.


Abb 3: Schematische Darstellung eines A-Bildes (Radar)

Das Ultraschall-Echo Verfahren, eine klassische Methode der Zerstörungsfreien Prüfung, wird in vielen Bereichen der Industrie serienmäßig zur Untersuchung von homogenen Werkstoffen eingesetzt [12]. Lange Zeit konnte das Ultraschall-Echo-Verfahren im Bauwesen, speziell aufgrund der Dämpfung durch die Inhomogenität des Baustoffs Beton, nur in Transmissionsanordnung eingesetzt werden. Intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten seit Beginn der 90er Jahre ermöglichten die Lösung einer Reihe von Prüfaufgaben im Niederfrequenzbereich. Zu verdanken ist dies vor allem der Entwicklung von breitbandigen Sensoren im Frequenzbereich von 50 kHz bis 250 kHz und der Anwendung des Prinzips der Synthetischen Apertur [13,14]. Zu den lösbaren Prüfaufgaben gehören u. a. die Dickenmessung bzw. die Ermittlung von Bauteilgeometrien bei einseitiger Zugänglichkeit [15], die Bestimmung der Betondeckung von Konstruktionselementen, die Lokalisierung von Verdichtungsmängeln, Kiesnestern und Ablösungen [16,17] und die Charakterisierung von oberflächennahen Rissen [18,19].
Das Ultraschall-Echo Verfahren arbeitet nach dem Impuls-Echo Prinzip analog zum Impuls-Radar Verfahren. Abhängig von den gewählten Sensoren breiten sich die akustischen Impulse in Form von Longitudinalwellen oder Transversalwellen in dem angekoppelten Bauteil aus und werden an Inhomogenitäten reflektiert. Sowohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit als auch die Intensität und die Phase der Reflexionssignale sind abhängig von den akustischen Eigenschaften der Materialien. Die reflektierten Impulse können durch Sensoren auf der Oberfläche empfangen und bezüglich der Laufzeit und der Amplitude ausgewertet werden.

Das Impact-Echo Verfahren wurde Mitte der 80er Jahre von Forschern des National Bureau of Standards (NBS, heute National Institute of Standards and Technology oder NIST) in den USA erstmals angewandt und in den darauf folgenden Jahren vor allem an der Universität Cornell (in Ithaca, New York) weiterentwickelt [20]. Es beruht auf der Analyse von Vielfachreflexionen nach einer mechanischen Impulsanregung. Das Verfahren eignet sich gut für die Schichtdickenmessung sowohl an Betonbauteilen [21] als auch an Mauerwerk [22]. Es wurden aber auch schon erfolgreiche Messungen zur Bestimmung der Überdeckungen von Spannkanälen und zur Ortung von Hohlstellen und anderen Inhomogenitäten in Betonkonstruktionen durchgeführt [23].
Das Verfahren basiert, ebenso wie das Ultraschall-Echo Verfahren, auf der Aussendung elastischer Wellen. Die Anregung erfolgt hier aber mit einem Impulshammer oder einer Stahlkugel. Das Signal wird von einem an der Oberfläche angekoppelten Schwingungsaufnehmer aufgezeichnet. Befindet sich im Bauteil eine zur Oberfläche parallele und schallreflektierende Schicht oder Fehlstelle, wird der Schallimpuls zwischen den beiden Grenzflächen vielfach reflektiert. Von den Sensoren werden die Oberflächenschwingungen gemessen. Aus der Intensitäts-ZeitFunktion ist über die Fourier Transformation (FT) die Frequenz bestimmbar, mit der der Schallimpuls zwischen der Oberfläche und einer Grenzfläche hin und her reflektiert wird. Die Reflektortiefe d errechnet sich aus der Frequenz f über die Beziehung d = v / 2f. Die Schallgeschwindigkeit v muss bekannt sein.

2.3 Vergleich der Verfahren

Der Vorteil des Radarverfahrens gegenüber den beiden akustischen Verfahren besteht darin, dass mit diesem Verfahren aufgrund des Messablaufes (kontinuierliche Messung ohne direkten Kontakt zum Prüfkörper) schnell größere Flächen untersucht werden können. Mit zunehmendem Bewehrungsgrad von Betonbauteilen nimmt die Aussagekraft des Radarverfahrens ab, da die elektromagnetischen Impulse an metallischen Reflektoren vollständig reflektiert werden und somit die Signale immer weniger Informationen über die Strukturen hinter dem Bewehrungsnetz beinhalten. Die akustischen Verfahren sind in der Lage, dieses Defizit zu kompensieren, d. h. elastische Wellen können metallische Reflektoren durchdringen. Ähnlich wie sich metallische Reflektoren auf elektromagnetischen Wellen verhalten, werden akustische Wellen im Ultraschallbereich von Luftschichten nahezu vollständig reflektiert. Auf das Radarverfahren haben Luftschichten einen geringeren Einfluss, so dass auch hier sich beide Verfahrensgruppen gut ergänzen.
Kombinierte Untersuchungen von Betonbauteilen mit Radar, Ultraschall und Impact-Echo wurden bisher nur an der BAM durchgeführt [24]. Veröffentlichungen anderer Arbeitsgruppen auf diesem Gebiet sind nicht bekannt.
Erste Untersuchungen zur Verfahrenskombination erfolgten zur Dickenbestimmung an Sohlplatten, wobei sich die schnelle und berührungslos durchzuführende, großflächige Messdatenerfassung als Vorteil des Radarverfahrens gegenüber dem Ultraschallverfahren zeigte [15]. Bei der Untersuchung des Verpresszustandes von Spanngliedern mit Ultraschall und Impact-Echo hat es sich als sehr vorteilhaft und zeitsparend herausgestellt, die genaue Lage der zu untersuchenden Spannglieder zunächst mit Radar zu orten. Anschließend kann dann die Festlegung der Positionen der Ultraschallmessfelder erfolgen [16, 21]. Eine Untersuchung des Verpresszustand mit Radar ist nicht möglich, da metallische Hüllrohre die elektromagnetischen Wellen vollständig reflektieren. Auch zur Analyse des Bauzustandes komplexerer Bauteile (wie z. B. Schleusen) konnten Radar und Ultraschall nebeneinander erfolgreich zur Lösung verschiedener Fragestellungen eingesetzt werden [25].

2.3 Darstellungsformen

Grundsätzlich gibt es verschiedene Varianten der Ergebnisdarstellung von Reflexionsmessungen:

  • Einzelpunktdarstellung (A - Bild)
  • Zweidimensionales Signalbild des Linienscans (B - Bild, Schnitt senkrecht zur Oberfläche)
  • Zweidimensionaler Flächenscan (C - Bild, Zeitscheibe oder Tiefenscheibe)

Das A-Bild ist die Ergebnisdarstellung einer punktuellen Messung, wobei die Intensität der Reflexionen über die Zeit aufgetragen wird (siehe Abbildung 3).

Wird der Sender und Empfänger entlang der Oberfläche des zu untersuchenden Bereiches auf einer definierten Messlinie verschoben, so erhält man eine Vielzahl von A-Bildern, die dann in Form von Grauwert- bzw. Falschfarbendarstellung in ihrer Gesamtheit ein B-Bild ergeben. Ein B-Bild entspricht einem Schnitt durch den Prüfkörper senkrecht zur Messoberfläche.

Reflexionen an Fehlstellen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Sensoren verlaufen, erscheinen aufgrund des Abstrahlwinkels (z.B. bei der Radarantenne ca. 45°) im B-Bild typischerweise als Hyperbel. Die Entstehung einer solchen Hyperbel zeigt Abbildung 4.


Abb 4: Schematische Darstellung der Entstehung einer Hyperbel, verursacht durch den Öffnungswinkel der Sende- und Empfangsantenne

Für die Erzeugung von C-Bildern muss die Bauteiloberfläche systematisch in einem Raster abgescannt werden. Die B-Bilder, aneinander gereiht, ergeben dann in ihrer Gesamtheit ein dreidimensionales Skalarfeld der Amplituden. Mit Hilfe von Signalverarbeitungsprogrammen ist es nun möglich, beliebige horizontale Tiefenschnitte (Schnitte parallel zur Bauteiloberfläche) darzustellen. Diese werden als C-Bilder bezeichnet.

3 Datenfusion

3.1 Ziel der Datenfusion

Das vorrangige Ziel der Datenfusion ist, die Interpretierbarkeit der Messergebnisse zu verbessern und zu vereinfachen. Dazu werden die einzelnen Messergebnisse mit Hilfe verschiedener, einfacher mathematischer Operationen überlagert. Abhängig von der Wahl der Operationen führt es dann zu einer Komprimierung der für den Bearbeiter wesentlichen Informationen in einem Datensatz.

3.2 Bearbeitung der Daten vor der Fusion

Sowohl Rohdaten als auch bearbeitete, wie z. B. SAFT-rekonstruierte Datensätze können fusioniert werden. Bei der Fusion von Rohdaten ist zu berücksichtigen, dass aufgrund verfahrensspezifischer Eigenschaften wie z. B. Öffnungswinkel, Frequenz usw. gleiche Reflektoren in B-Bildern unterschiedliche Formen annehmen. Das führt u. U., abhängig von der Wahl des Fusionsalgorithmusses, zu einer fehlerhaften, konstruktiven Überlagerung von Amplituden im Fusionsdatensatz, was wiederum in einer Fehlinterpretation enden kann. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Datensätze vor der Fusion zu rekonstruieren, um die verschiedenen Signalbilder einander anzugleichen.

Die Rekonstruktion der Datensätze erfolgt dreidimensional unter der Verwendung von Algorithmen basierend auf der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT). Die SAFT-Algorithmen können in Bezug auf die Anwendung verschiedener Ansätze in Laufzeit-SAFT [26 ,27] und FT-SAFT[28] unterteilt werden. Letzterer arbeitet unter Verwendung der Fourier Transformation. Für den Laufzeit-SAFT-Algorithmus existieren wiederum zwei verschiedene Ansätze. Der eine basiert auf der Summation der Amplituden in einem Pixel im Rekonstruktionsraum unter Berücksichtigung des Abstandes des Pixels zu den verschiedenen Sender- und Empfängerpositionen (Pixel-Driven Approach). Bei dem zweiten Ansatz (A-Scan-Driven Approach) werden die Amplituden der A-Bilder im Rekonstruktionsraum summiert. Dabei wird nur der Abstand der gemessenen Amplituden zu den Positionen der A-Bilder im Raster auf der Messfläche berücksichtigt. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger wird vernachlässigt. Bei allen SAFT-Algorithmen müssen die Vorlaufzeiten und die Ausbreitungsgeschwindigkeiten bekannt sein. Die Ergebnisse der verschiedenen Algorithmen sind identisch. Gegenwärtig werden die Ultraschalldatensätze am IZFP Saarbrücken mit einem 3D-Laufzeit-SAFT-Programm rekonstruiert. Die Rekonstruktion der Radardaten erfolgt an der BAM mit einem 3D-FT-SAFT-Programm, entwickelt an der Universität Kassel (siehe Abbildung 5).

Abb 5: Exemplarische Darstellung der 3D-FT-SAFT-Rekonstruktion (Uni. Kassel) am Beispiel eines Radardatensatzes; B-Bild- Rohdaten (links); B-Bild aus dem SAFT-rekonstruierten Datensatz (rechts)

Um den Datenaustausch zwischen den Projektpartnern zu erleichtern und die Einleseroutine des Datenfusionsprogramms so einfach wie möglich zu gestalten, werden die Rohdaten bzw. die SAFT-rekonstruierten Datensätze in ein einheitliches Datenformat transformiert, welches im Rahmen der Forschergruppe 384 vereinbart wurde.

Liegen die Datensätze in dem FOR384-Datenformat vor, müssen diese in ein zuvor definiertes Referenzsystem überführt werden. Das Referenzsystem legt die Auflösung, die Größe und das Koordinatensystem des Fusionsdatensatzes fest. Alle zu fusionierenden Datensätze müssen in ihren geometrischen Eigenschaften diesem Referenzsystem angepasst werden.

3.3 Datenfusionsalgorithmen

Unmittelbar vor der Fusion der Datensätze ist es möglich, die Signale je nach Bedarf mit dem Fusionsprogramm zu bearbeiten. Z. B. kann jeder Datensatz mit einer linearen oder nicht linearen Funktion tiefenabhängig gewichtet werden, um den unterschiedlichen Eigenschaften der Verfahren bezüglich der maximalen Eindringtiefe und des Auflösungsvermögens Rechnung zu tragen. Stark verrauschte Datensätze können in verschiedene Richtungen mit unterschiedlichen Filtern geglättet werden. Außerdem ist es möglich, nur die Änderungen der Amplituden in z-Richtung (1. Ableitung der A-Bilder) bei der Fusion zu berücksichtigen. Zusätzlich zu den aufgeführten Operationen der Signalverarbeitung existiert noch eine Reihe von anderen Möglichkeiten, die das Programm vorsieht, auf deren Erwähnung aber verzichtet wird.
Die eigentliche Fusion basiert auf der Superposition der verschiedenen Datensätze mittels einfacher mathematischer Operationen. Neben Addition, Subtraktion, Division und Durchschnitt können auch ausschließlich die maximalen Werte aller Datensätze im Fusionsdatensatz berücksichtigt werden. Des Weiteren existiert die Möglichkeit zwei Datensätze mit einem vorher definierten, richtungsorientierten Fokus zu kombinieren. Mit dieser Operation ist es möglich, vorwiegend in eine Richtung ausgedehnte Strukturen wie Bewehrungseisen oder auch Spannkanäle richtungsabhängig herauszufiltern. Nicht zuletzt können natürlich alle erwähnten Algorithmen beliebig miteinander kombiniert werden [29].

4 Ergebnisse

4.1 Beispiel 1

In der Abbildung 6 ist ein Betonprobekörper dargestellt, der mit dem Radar- und Ultraschall-Echo Verfahren untersucht wurde. Dieser Probekörper hat die Abmessungen 2,0 m x 1,5 m x 0,5 m. Die rechte Hälfte ist oberflächennah von beiden Seiten bewehrt. Im Probekörper ist ein Spannkanal angeordnet, der mit einem geplanten Verpressfehler versehen ist. Zusätzlich sind sechs verschieden große Polystyrolkugeln eingebaut, die Verdichtungsmängel simulieren sollen.


Abb 6: Darstellung des Probekörpers (2,0 m x 1,5 m x 0,5 m), der mit dem Radar- und Ultraschall-Echo-Verfahren untersucht wurde

Die rot schraffierte Fläche wurde mit dem Radarverfahren spurweise sowohl in x- als auch in y-Richtung (Spurabstand = 5 cm) mit einer zur Bewegungsrichtung senkrecht polarisierten 1,5 GHz Antenne vermessen. Die blau schraffierten Bereiche kennzeichnen die Ultraschallmessflächen. In diesen Bereichen kam das Punktkontakttransversalwellenarray der Firma Spektrum zum Einsatz, das mit einer Mittelfrequenz von 55 kHz arbeitet. Die Rasterweite lag bei 2,5 cm.

In der Abbildung 7 sind C-Bilder in verschiedenen Tiefen als Ergebnis der Fusion der Ultraschallmessung und der Radarmessung dargestellt. Im linken, oberen C-Bild ist die Lage der Bewehrung sehr deutlich zu erkennen. Ursächlich hierfür ist die Überlagerung der beiden SAFT-rekonstruierten Radardatensätze, aufgenommen mit senkrecht zueinander polarisierten Antennen. Im rechten, oberen C-Bild in einer Tiefe von 22,5 cm sind die Positionen der unterschiedlich großen Polystyrolkugeln zu sehen. Diese Fehlstellen konnten teilweise von beiden Verfahren geortet werden, wobei die Ultraschallverfahren, speziell auch im bewehrten Bereich, die signifikanteren Reflexionssignale liefert. In einer Tiefe von 28,5 cm ist es möglich, den Spannkanal und den nahezu mittig angeordneten Verpressfehler zu detektieren (siehe Abbildung 7 unten links). Der rechte Bereich des Verpressfehlers ist weniger kontrastreich aufgrund der Abschattung durch die darüber liegende Bewehrung. Bei der Auswertung der Ultraschallmessungen stellt sich heraus, dass zusätzlich zu dem geplanten Verpressfehler im Spannkanal weitere ungewollte Verpressfehler vorhanden sind. Diese sind im unteren rechten C-Bild der Abbildung 7 dargestellt.

Abb 7: Darstellung von C-Bildern (2,0 m x 1,5 m) des Fusionsdatensatzes (zwei SAFT-rekonstruierte Radardatensätze und ein SAFT-rekonstruierter Ultraschalldatensatz) in verschiedenen Tiefen überlagert mit der Probekörperskizze

4.2 Beispiel 2

In der Abbildung 8 sind die Radar- und Impact-Echo-Messfelder auf einer quer vorgespannten Fahrbahnplatte einer Autobahnbrücke skizziert.


Abb 8: Darstellung der Radar- und Impact-Echo Messfelder auf einer quer vorgespannten Fahrbahnplatte einer Autobahnbrücke

Das Ziel der Untersuchung bestand darin, Strukturen wie Bewehrung und metallische Spannkanäle zu orten und ggf. vorhandene Verdichtungsmängel innerhalb aber auch außerhalb der Spannkanäle aufzuspüren. Nicht zuletzt sollte natürlich auch die Dicke der Fahrbahnplatte bestimmt werden. Die Untersuchungwurden automatisiert mit einem Scanner vermessen. Die Untersuchung des rosa schraffierten Bereichs (9,70 m x 3,80 m) erfolgte mit dem Radarverfahren spurweise sowohl in x- als auch in y-Richtung (Spurabstand = 5 cm) mit einer zur Bewegungsrichtung senkrecht polarisierten 1,5 GHz Antenne. Der blau schraffierte Bereich kennzeichnet das Impact-Echo-Messfeld (4,72 m x 4,08 m), das mit einem Messkopf der Firma Olsen im 4 cm Raster vermessen wurde.

Abb 9: Darstellung von C-Bildern des Fusionsdatensatzes (zwei SAFT- rekonstruierte Radardatensätze mit senkrecht zueinander polarisierten Antennen) entlang der Schnitte C1 und C2, skizziert in der Abbildung 8
Abb 10: Darstellung von zwei B-Bildern verschiedener Fusionsdatensätze entlang des Schnittes B1 (siehe Abbildung 8), Kombination von zwei SAFT-rekonstruierten Radardatensätzen (oben), Kombination von zwei SAFT-rekonstruierten Radardatensätzen und einem Impact- Echo-Datensatz (unten)

In der Abbildung 9 sind zwei C-Bilder eines Fusionsdatensatzes dargestellt, bei dem zwei SAFT-rekonstruierte Radardatensätze, deren Antenne jeweils parallel zur x- und zur y-Achse polarisiert waren, kombiniert wurden. Aufgrund dessen sind im oberen C-Bild deutlich die senkrecht zueinander verlaufenden Bewehrungsstäbe zu sehen, die entlang des Schnittes C1 (siehe Abbildung 8) in einer Tiefe von 4,5 cm verlegt sind. Im unteren C-Bild der Abbildung 9, in einer Tiefe von 12,0 cm entlang des Schnittes C2 (siehe Abbildung 8), sind Quervorspannglieder zu sehen, die nicht parallel zur Oberfläche angeordnet sind, sondern in der Fahrbahnmitte tiefer liegen als am Rand. Aus diesem Grund sind die Spannglieder nicht über die gesamte Fahrbahnplatte zu erkennen.

In der Abbildung 10 sind zwei B-Bilder entlang des Schnittes B1 (siehe Abbildung 8) dargestellt. Bei dem oberen B-Bild handelt es sich um ein Ergebnis der Fusion von zwei SAFT-rekonstruierten, senkrecht zueinander polarisierten Radardatensätzen. Die Bewehrung und die Rückwand in der Fahrbahnmitte sind deutlich zu erkennen. Im Bereich der gevouteten Rückwand konnten keine signifikanten Reflexionssignale detektiert werden. Dieser Fusionsdatensatz wurde zusätzlich mit dem Impact-Echo-Datensatz überlagert. Das untere B-Bild der Abbildung 10 zeigt das Ergebnis dieser Fusion. Neben der Bewehrung und der Rückwand in der Fahrbahnmitte können nun auch Reflexionssignale von den gevouteten Bereichen der Rückwand detektiert werden.

5.Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Beitrag wurden Ergebnisse der Fusion von drei verschiedenen ZfPBau-Verfahren zusammengestellt. Es handelte sich hierbei um Datensätze aufgenommen mit dem Radarverfahren unter Verwendung von unterschiedlichen Antennen mit verschiedenen Polarisationsrichtungen. Diese Datensätze wurden mit Ultraschall- und Impact-Echo-Datensätzen kombiniert. Die Messungen erfolgten sowohl an einem realen Bauwerk als auch an speziell für diese Anwendung konzipierten Probekörper. Die Ergebnisse der Datenfusion zeigen, dass durch die Kombination der komplementären Datensätze eine hohe Informationsdichte im Fusionsdatensatz erreicht werden kann, was sich vorteilhaft auf die Interpretation der Messergebnisse auswirkt.
Zukünftig sind auf diesem Gebiet eine Vielzahl von Untersuchungen geplant. So sollen verschiedene Messungen mit unterschiedlichen ZFPBau-Verfahren an anderen realen Bauwerken durchgeführt werden um im Anschluss daran die Ergebnisse miteinander zu kombinieren. Des Weiteren werden zusätzliche Fusionsalgorithmen implementiert.

6.Danksagung

Die hier vorgestellten Untersuchungen wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschergruppe 384 gefördert. Die Messungen an der Fahrbahnplatte einer Autobahnbrücke ermöglichte Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt). Die Untersuchungen sind Bestandteil eines gemeinsamen Forschungsprojektes zwischen der BAM und der BASt.

Zusätzlich schulden die Autoren Prof. Dr. K. J. Langenberg und Dr. K. Mayer der Universität Kassel Dank für die Bereitstellung des 3D-FT-SAFT-Rekonstruktionsprogamms. Des Weiteren möchten sich die Autoren für die Rekonstruktion der Ultraschall-Echo Datensätze bei Herrn W. Müller vom IZFP Saarbrücken bedanken.

Diesem Bericht liegen Teile der im Auftrag des Bundeministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, unter FE-Nr. 86.028/2003/AP laufenden Forschungsarbeit zugrunde. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein bei den Autoren.

7. Literaturverzeichnis

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