Experimental Investigation of the Applicability of W-Band MIMO-SAR for Structural Health Monitoring

Abstract

Due to constant exposure to environmental conditions and external forces, engineering structures like bridges, high-rise buildings, and others deteriorate over time. Structural Health Monitoring (SHM) aims to identify and locate potential damages that could cause a change in the system’s integrity. Identification can help reduce costs by initiating timely maintenance and extending the structure’s lifetime. Engineers use various types of sensors (e.g. accelerometers, strain gauges, etc.) to assess the structure’s condition. Most systems provide a time series of observations at the sensor’s location. Covering large structures would require the costly installation of multiple sensors and wiring a network for acquisition management. MIMO-SAR, short for Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar, systems are an emerging alternative. By emitting a frequency-modulated continuous wave (FMCW), such systems can use Terrestrial Radar Interferometry (TRI) to measure highly accurately the displacements of an object at high temporal and spatial resolution. However, the effects impacting the performance of MIMO-SAR systems are yet not well understood for practical applications. In this thesis, the applicability of W-band MIMO-SAR for SHM has been investigated. More specifically, the effects impacting the accuracy of a commercial low-cost, automotive MIMO-SAR system have been analysed. Experiments carried out in indoor and outdoor environments under adverse weather conditions have been used to analyse and quantify the impact of measurement noise, short-term drifts due to clock instabilities, meteorological variations, and electromagnetic interference caused by a second active MIMO-SAR system on displacement measurements. This was followed by assessing the capabilities of a MIMO-SAR system for a real-case application, i.e. deformation of a railway bridge under traffic load and deformation of a wind turbine tower under working load. The investigation was rounded off by developing an algorithm to derive 3D displacement vectors from a set of line-of-sight displacements as it is given by TRI. Those algorithms performed least-square adjustments which took into account the spatial or temporal correlations of the observations. The results show that W-Band MIMO-SAR sensors can be used to measure short-term line-of-sight displacement with low uncertainties (tens of micrometres) and high temporal resolution (milliseconds). The system configuration used in these investigations allowed 2D mapping of the displacements of objects located up to 175 metres with high angular (approx. 1.4 degrees) and range (up to 4 centimetres) resolution. Furthermore, measurements acquired by three simultaneously operating MIMO-SAR sensors could be combined to derive 3D displacement vectors coinciding with the actual movement of a point scatterer (corner cube). The investigations expanded the knowledge regarding the performance and quality of the phase measurements of MIMO-SAR systems operating in the W-band. Their applicability for SHM has been demonstrated on two engineering structures. The results indicate that the MIMO-SAR technology could supplement or even replace classical geodetic and other measurement systems used for deformation monitoring.

Aufgrund von Umweltbedingungen und äußeren Kräften welche auf Brücken, Hochhäuser und andere Bauwerke einwirken, verschlechtert sich deren Zustand mit der Zeit. Das Structural Health Monitoring (SHM) zielt darauf ab, potenzielle Schäden welche die Systemintegrität beeinflussen, frühzeitig zu erkennen und zu lokalisieren. Die Identifizierung kann zur Kostensenkung beitragen, indem sie eine rechtzeitige Instandhaltung einleitet und die Lebensdauer des Bauwerks verlängert. Ingenieure verwenden hierzu verschiedene Arten von Sensoren (z.B. Beschleunigungsmesser, Dehnungsmessstreifen usw.), um den Zustand des Bauwerks zu beurteilen. Die meisten Systeme liefern Zeitreihen von Beobachtungen für den Standort des Sensors. Die Erfassung großer Strukturen würde die kostspielige Installation mehrerer Sensoren und die Verkabelung eines Netzwerks für das Erfassungsmanagement erfordern. MIMO-SAR-Systeme, kurz für Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar, sind eine neu aufkommende Alternative. Durch die Aussendung einer frequenzmodulierten Dauerstrichwelle (eng. frequency modulated continuous wave, FMCW) können solche Systeme die terrestrische Radarinterferometrie (TRI) nutzen, um die Bewegung eines Objekts mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu messen. Allerdings sind die Leistungsmerkmale von MIMO-SAR-Systemen für praktische Anwendungen noch nicht ausreichend bekannt. In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit von W-Band MIMO-SAR für SHM untersucht. Insbesondere wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die Genauigkeit eines kommerziellen, kostengünstigen und für Automobilanwendungen entwickelten MIMO-SAR-Systems untersucht. Hierzu wurden in Innen- und Außenbereichen Experimente unter widrigen Wetterbedingungen durchgeführt. Konkret wurden die Auswirkungen von Messrauschen, kurzfristigen Drifts aufgrund von Taktinstabilitäten, meteorologischen Schwankungen und elektromagnetischen Störungen auf die Verschiebungsmessungen analysiert und quantifiziert. Anschließend wurde Anwendbarkeit eines MIMO-SAR-Systems in realistischen Anwendungen, d.h. die Verformung einer Eisenbahnbrücke unter Verkehrslast sowie einer Windkraftanlage unter Arbeitslast, beurteilt. Abgerundet wurde die Untersuchung durch die Entwicklung von Algorithmen zur Ableitung von 3D-Verschiebungsvektoren aus Sätzen von Sichtlinienverschiebungen (eng. Line-of-Sight displacements), wie sie durch TRI gegeben sind. Diese Algorithmen beinhalteten Ausgleichrechnungen nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate welche die räumlichen oder zeitlichen Zusammenhänge der Beobachtungen berücksichtigten. Die Ergebnisse zeigen, dass W-Band MIMO-SAR-Sensoren zur Messung kurzfristiger Sichtlinienverschiebungen mit geringen Unsicherheiten (wenigen zehn Mikrometern) und hoher zeitlicher Auflösung (Millisekunden) verwendet werden können. Die in dieser Untersuchung verwendete Systemkonfiguration ermöglichte die 2D-Kartierung der Verschiebungen von Objekten, die sich bis zu 175 Meter entfernt befanden. Dies konnte mit einer hohen Winkel- (ca. 1.4 Grad) und Distanzauflösung (bis zu 4 Zentimetern) realisiert werden. Darüber hinaus konnten die Messungen von drei gleichzeitig arbeitenden MIMO-SAR-Sensoren kombiniert werden, um 3D-Verschiebungsvektoren abzuleiten, die mit der tatsächlichen Bewegung eines Punktstreuers (metallischer Eckwürfel) übereinstimmen. Die Untersuchungen haben das Wissen über die Eigenschaft und Qualität der Phasenmessungen von MIMO-SAR-System, welche im W-Band operieren, erweitert. Deren Anwendbarkeit für SHM wurde dabei an zwei Bauwerken aufgezeigt. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die MIMO-SAR-Technologie klassische geodätische und andere Messsysteme, die bei Deformationsüberwachung eingesetzt werden, in Zukunft ergänzen oder sogar ersetzen könnte.

En raison de leur exposition constante aux conditions environnementales et aux forces extérieures, les ouvrages tels que les ponts, les grands immeubles et autres se détériorent avec le temps. La surveillance de l'état des structures (SHM) vise à identifier et à localiser les dommages potentiels qui pourraient entraîner une modification de l'intégrité du système. L'identification peut contribuer à réduire les coûts en déclenchant une maintenance ciblée et en prolongeant la durée de vie de la structure. Les ingénieurs utilisent différents types de capteurs (par exemple, des accéléromètres, des jauges de contrainte, etc.) pour évaluer l'état de la structure. La plupart des systèmes fournissent une série temporelle d'observations à l'emplacement du capteur. La couverture de grandes structures nécessiterait l'installation coûteuse de plusieurs capteurs et le câblage d'un réseau pour la gestion des acquisitions. Les systèmes MIMO-SAR, abréviation de Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar, constituent une alternative émergente. En émettant une onde continue modulée en fréquence (FMCW), ces systèmes peuvent utiliser l'interférométrie radar terrestre (TRI) pour mesurer avec une grande précision les déplacements d'un objet à haute résolution temporelle et spatiale. Cependant, les effets ayant un impact sur les performances des systèmes MIMO-SAR ne sont pas encore bien compris pour les applications pratiques. Dans cette thèse, l'applicabilité des MIMO-SAR en bande W pour les SHM a été étudiée. Plus précisément, les effets ayant un impact sur la précision d'un système MIMO-SAR commercial et disponible à faible coût pour l'automobile ont été analysés. Des expériences menées dans des environnements intérieurs et extérieurs dans des conditions météorologiques défavorables ont permis d'analyser et de quantifier l'impact du bruit des mesures, des dérives à court terme dues aux instabilités de l'horloge, des variations météorologiques et des interférences électromagnétiques causées par un second système MIMO-SAR actif sur les mesures de déplacement. On a ensuite évalué les capacités d'un système MIMO-SAR pour une application réelle, à savoir la déformation d'un pont de chemin de fer sous la charge du trafic et la déformation d'une tour d'éolienne sous la charge de travail. L'étude a été complétée par le développement d'un algorithme permettant de dériver les vecteurs de déplacement 3D à partir d'un ensemble de déplacements en ligne de visée tels qu'ils sont donnés par TRI. Ces algorithmes ont effectué des ajustements par la méthode des moindres carrés en tenant compte des corrélations spatiales ou temporelles des observations. Les résultats montrent que les capteurs MIMO-SAR en bande W peuvent être utilisés pour mesurer les déplacements en ligne de visée à court terme avec de faibles incertitudes (dizaines de micromètres) et une haute résolution temporelle (millisecondes). La configuration du système utilisée dans cette étude a permis de cartographier en 2D les déplacements d'objets situés jusqu'à 175 mètres avec une haute résolution angulaire (environ. 1.4 degrés) et de distance (jusqu'à 4 centimètres). En outre, les mesures acquises par trois capteurs MIMO-SAR fonctionnant simultanément ont pu être combinées pour dériver des vecteurs de déplacement 3D coïncidant avec le mouvement réel d'un diffuseur ponctuel (cube d'angle). L'enquête a élargi les connaissances concernant la performance et la qualité des mesures de phase des systèmes MIMO-SAR fonctionnant dans la bande W. Leur applicabilité pour la SHM a été démontrée sur deux ouvrages. Les résultats indiquent que la technologie MIMO-SAR pourrait compléter, voire remplacer, les systèmes géodésiques classiques et autres systèmes de mesure utilisés pour la surveillance des déformations.

A causa della costante esposizione alle condizioni ambientali e alle forze esterne, le opere civili come ponti, grattacieli e altre si deteriorano nel tempo. Il monitoraggio dello stato di salute delle strutture (Structural Health Monitoring, SHM) mira a identificare e localizzare i potenziali danni che potrebbero causare un'alterazione dell'integrità delle stesse. L'identificazione può contribuire a ridurre i costi rendendo possibile una manutenzione tempestiva e quindi prolungando la durata di una struttura. Gli ingegneri utilizzano vari tipi di sensori (ad esempio accelerometri, estensimetri, ecc.) per valutare le condizioni di una struttura. La maggior parte dei sistemi fornisce una serie temporale di osservazioni raccolte nel luogo dove il sensore è posizionato. I monitoraggi che coprono interamente di grandi strutture richiedono generalmente la costosa installazione di numerosi sensori ed il relativo cablaggio di una rete per gestire la raccolta delle osservazioni. I sistemi MIMO-SAR, acronimo di Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar, sono un'alternativa emergente per queste applicazioni. Emettendo un'onda continua modulata in frequenza (FMCW), questi sistemi possono utilizzare l'interferometria radar terrestre (TRI) per misurare con grande precisione gli spostamenti di un oggetto, con alte risoluzioni temporali e spaziali. Tuttavia, gli effetti che influenzano le prestazioni dei sistemi MIMO-SAR nel loro impiego pratico non sono ancora compresi appieno. In questa tesi è stata studiata l'applicabilità di MIMO-SAR in banda W per SHM. In particolare, sono stati analizzati gli effetti che influenzano l'accuratezza di un sistema MIMO-SAR per il mercato automobilistico, disponibile in commercio a basso costo. Gli esperimenti condotti in ambienti interni ed esterni in condizioni meteorologiche avverse sono stati utilizzati per analizzare e quantificare l'impatto del rumore di misura, delle derive a breve termine dovute all'instabilità dell'orologio, delle variazioni meteorologiche e delle interferenze elettromagnetiche causate da un secondo sistema MIMO-SAR attivo sulle misure di spostamento. A ciò ha fatto seguito la valutazione delle capacità di un sistema MIMO-SAR per un'applicazione reale, ossia la deformazione di un ponte ferroviario sotto il carico del traffico. L'indagine si è conclusa con lo sviluppo di un algoritmo per derivare vettori di spostamento 3D da un insieme di spostamenti misurati lungo differenti linee di vista, misurate grazie alla TRI. I risultati mostrano che i sensori MIMO-SAR in banda W possono essere utilizzati per misurare spostamenti a breve termine lungo la linea di vista con grande accuratezza (decine di micrometri) e alta risoluzione temporale (millisecondi). La configurazione del sistema utilizzata in questa indagine ha permesso la mappatura 2D degli spostamenti di oggetti situati fino ad una distanza di 175 metri con un'alta risoluzione angolare (ca. 1.4 gradi) ed un’alta risoluzione nelle distanze (fino a 4 centimetri). Inoltre, le misure acquisite da tre sensori MIMO-SAR operanti simultaneamente possono essere combinate per ricavare vettori di spostamento 3D che coincidono con l'effettivo movimento di uno scatterer puntiforme (ad esempio, un profilo a forma di triedro retto). L'indagine ha ampliato le conoscenze relative alle prestazioni e alla qualità delle misure di fase dei sistemi MIMO-SAR operanti nella banda W. La loro applicabilità per l'SHM è stata dimostrata su due opere civili. I risultati indicano che la tecnologia MIMO-SAR potrebbe integrare o addirittura sostituire sia sistemi di misura geodetici classici, che sistemi di altro tipo utilizzati per il monitoraggio delle deformazioni.