Studies on characterization of dielectric composite materials using radar and other microwave sensors

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Laitinen, Tommi, Dr.
dc.contributor.advisor Mikhnev, Valeri, D.Sc. (Tech.), National Academy of Sciences of Belarus Minsk, Belarus
dc.contributor.author Olkkonen, Martta-Kaisa
dc.date.accessioned 2016-09-15T09:01:32Z
dc.date.available 2016-09-15T09:01:32Z
dc.date.issued 2016
dc.identifier.isbn 978-952-60-6950-0 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6951-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/21930
dc.description.abstract This thesis describes several new advances in measurement of the properties of materials using microwave techniques. The developments were made through an interdisciplinary approach to explore the properties of composite materials such as biofuel, concrete, asphalt and the rock inclusions of asphalt. In this thesis, a composite material has been defined as inhomogeneous material with inclusions that have dimensions comparable to the measurement wavelength. Resonators were chosen to characterize materials in which the properties, such as moisture, are linked directly to the real or imaginary part of the measured signal, using either a linear or parabolic statistical fitting. The concepts were tested using online moisture measurement of biofuel employing a stripline cavity resonator at approximately 360 MHz, attached above and below the conveyor belt. In a similar manner, a resonant coaxial surface sensor operating at approximately 1.7 GHz was used to test the same concepts by determining the moisture content of concrete. Investigations into the use of radar techniques for material characterization employed a radar device (13–17 GHz), which was developed by colleagues to achieve a resolution (2–3 cm) sufficient for gaining an image of the structure of only the surface layer (< 5 cm). It is suggested that the use of polyoxymethylene (POM) or similar dielectric is preferable for radar calibration, as the reflectivity is of the same order as the material under test unlike in traditionally used metal sheets, which can cause saturation of the receiver. The permittivity of the asphalt aggregates was measured using both the resonator and waveguide methods as a precursor to measuring composites. Then, a scanner (7–17 GHz), which measured the transmission scattering parameters of a sample, was used as a laboratory reference method. This produced a two-dimensional color image of the permittivity and hence structure of the composite material with a resolution of 5 mm x 5 mm. Phase error due to multiple reflections was compensated by fitting a line to the fluctuating phase through the minima and maxima of the amplitude. Another signal processing routine was developed to filter out the multiple reflections so that the frequency-dependent permittivity was derived based on only the single-pass propagation through a concrete slab over 0.8–12 GHz. Further, a new algorithm was developed to perform direct interpretation of the GPR data. A color map was superimposed on top of a conventional grey-scale GPR image to distinguish materials based on their reflection-related phase. en
dc.description.abstract Tässä poikkitieteellisessä väitöskirjassa esitellään uusia tuloksia dielektristen materiaalien sähköisten ominaisuuksien mittaamisesta ja karakterisoinnista RF- ja mikroaaltotaajuuksilla. Tutkimuskohteena ovat erityisesti komposiittimateriaalit kuten biopolttoaine, betoni, asfaltti ja sen kiviaines. Tässä työssä komposiittimateriaalilla tarkoitetaan sellaista materiaalia, jonka raekoko on merkittävä verrattuna mittauksessa käytetyn signaalin aallonpituuteen. Resonaattoriperiaate on valittu menetelmäksi suorassa karakterisoinnissa, jossa materiaalin ominaisuudet kuten kosteus liitetään mitatun signaalin reaali- tai imaginääriosaan. Biopolttoaineen tehdasmittauksessa liuskajohtoresonaattori (360 MHz) kiinnitettiin liukuhihnan molemmin puolin. Kosteus johdettiin mittaustuloksista. Kosteusmittaus tehtiin myös betonille koaksiaalisella pinta-anturilla (1.7 GHz). Molemmille kokeiden mittaustuloksille tehtiin sekä parabolinen että suoralle sovitus. Näin suhteellinen resonanssitaajuuden siirtymä on suoraan verrannollinen näytteessä olevaan kosteuteen. Uusi asfalttitutka (13–17 GHz) on kehitetty ohuita asfalttikerroksia varten (< 5 cm). Saavutettu resoluutio (2–3 cm) mahdollistaa pelkän pintakerroksen rakenteen kuvantamisen. Tutkan kalibroimiseen ehdotetaan työssä POM-muovin tai vastaavan eristeen käyttöä, koska sen heijastusvaste on lähempänä tutkittavan materiaalin aiheuttamaa toisin kuin perinteisesti käytetyllä metallilla. Metalli voi myös aiheuttaa tutkan vastaanottimen saturoitumista ja epälineaarisuutta. Asfaltin kiviaineksen permittiivisyys on tutkittu erikseen resonaattori- ja aaltoputkimenetelmillä. Skanneria (7–17 GHz), joka mittaa näytteen läpäisyparametrit, käytetään vertailumenetelmänä laboratoriossa. Mittauksesta johdetut asfaltin permittiivisyysarvot esitetään kaksiulotteisena väripintana. Skannerilla saadaan kuva komposiittimateriaalin rakenteesta 5 mm x 5 mm askelvälillä. Läpäisymittauksen vaihevirheen kompensointiin ehdotetaan uutta menetelmää. Vaiheeseen sovitetaan suora, joka kulkee vastaavien taajuuksien amplitudin minimi- ja maksimikohtien kautta. Toisessa kokeessa betonin läpäisymittauksen moninkertaiset heijastukset näytteen sisällä suodatettiin aikaikkunoinnin avulla. Betonin permittiivisyys johdetaan signaalin yksinkertaisen läpäisyn perusteella näytteen paksuuden mitalta. Menetelmällä saadaan betonin taajuusriippuva permittiivyys kaistalla 0.8–12 GHz. Uusi algoritmi on kehitetty maatutkadatan (GPR) tulkintaan. Mustavalkoinen maatutkakuva asetetaan päällekkäin algoritmilla saadun värillisen maatutkakuvan kanssa, jolloin kohteet näkyvät eri väreillä perustuen niiden heijastuksen vaiheeseen. fi
dc.format.extent 165 + app. 69
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 155/2016
dc.relation.haspart [Publication 1]: M.-K. Olkkonen, T. Laitinen, and P. Vainikainen, "Moisture Measurements of Bio-Material Web Using an RF Resonator Sensor," in Proc. of 9th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances (ISEMA 2011), Kansas City, USA, May 31 - Jun. 3, 2011, pp. 1-7
dc.relation.haspart [Publication 2]: M.-K. Olkkonen, V. Mikhnev, and E. Huuskonen, "RF Moisture Measurement of Concrete with a Resonator Sensor," in Proc. of 22nd International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo), Sevastopol, Ukraine, Sept. 10-14, 2012, pp. 853-854
dc.relation.haspart [Publication 3]: M.-K. Olkkonen, V. Mikhnev, and E. Huuskonen-Snicker, "Complex Permittivity of Concrete in the Frequency Range 0.8 to 12 GHz," in Proc. of 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Gothenburg, Sweden, Apr. 8-12, 2013, pp. 3319-3321
dc.relation.haspart [Publication 4]: V. Mikhnev, M.-K. Olkkonen, and E. Huuskonen, "Subsurface Target Identification Using Phase Profiling of Impulse GPR Data," in Proc. of 1th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR), Shanghai, China, Jun. 4-8, 2012, pp. 376-380. DOI: 10.1109/ICGPR.2012.6254894
dc.relation.haspart [Publication 5]: E. Huuskonen-Snicker, V. Mikhnev, and M.-K. Olkkonen, "Discrimination of Buried Objects in Impulse GPR Using Phase Retrieval Technique," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 53, no. 2, pp. 1001-1007, Feb. 2015. DOI: 10.1109/TGRS.2014.2331427
dc.relation.haspart [Publication 6]: M.-K. Olkkonen, P. Eskelinen, E. Huuskonen-Snicker, T. Pellinen, and P. Olmos Martinez, "A New Microwave Asphalt Radar," in Proc. of IEEE Radar Conference (RADAR2014), Lille, France, Oct. 13-17, 2014, 5 pp. DOI: 10.1109/RADAR.2014.7060386
dc.relation.haspart [Publication 7]: M.-K. Olkkonen, P. Eskelinen, E. Huuskonen-Snicker, T. Pellinen, and P. Olmos Martinez, "An Evaluation of the Permittivity of Two Different Rock Types Using Microwave Resonator and Waveguide Cutoff Principles," Frequenz, vol. 69 no. 1-2, pp. 75-82, Dec. 2014.
dc.relation.haspart [Publication 8]: M.-K. Olkkonen, "Ku Band Ground Penetrating Radar for Asphalt Layer Measurement," IET Radar, Sonar & Navigation, vol. 10, no. 1, pp. 76-81. DOI: 10.1049/iet-rsn.2015.0133
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.subject.other Materials science en
dc.title Studies on characterization of dielectric composite materials using radar and other microwave sensors en
dc.title Dielektristen komposiittimateriaalien mikroaaltomittauksia fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Sähkötekniikan ja automaation laitos fi
dc.contributor.department Department of Electrical Engineering and Automation en
dc.subject.keyword composite material en
dc.subject.keyword non-destructive testing en
dc.subject.keyword radar signal processing en
dc.subject.keyword radar target classification en
dc.subject.keyword RF moisture measurement en
dc.subject.keyword ainetta vahingoittamaton testaus fi
dc.subject.keyword kohteen tunnistus tutkalla fi
dc.subject.keyword komposiittimateriaali fi
dc.subject.keyword RF-kosteusmittaus fi
dc.subject.keyword tutkasignaalinkäsittely fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6950-0
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Vainikainen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.contributor.supervisor Viikari, Ville, Assist. Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.contributor.supervisor Eskelinen, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.opn Rohling, Herman, Prof., TU Hamburg-Harburg, Germany
dc.rev Maxwell Woodhead, Ian, Prof., Lincoln Agritech Ltd, New Zealand
dc.rev Nyfors, Ebbe, D.Sc. (Tech.), Emerson Process Management, RoxarAS, Norway
dc.date.defence 2016-09-09


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account