Modellierung elektromagnetischer Wellenausbreitung unter Berücksichtigung von im Labor gemessenen Materialeigenschaften

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In dieser Arbeit wurde ein Verfahren auf Basis der von Luebbers et al. (1993) vorgeschlagenen Frequency-Dependent-Finite-Difference-Time-Domain-((FD)2-TD)-Approximation entwickelt, das die Simulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in komplexen Medien für Ground Penetrating Radar (GPR) ermöglicht. Durch die Verwendung eines Finite-Differenzen-Schemas gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Modellparameter. Zudem können frequenzabhängige Materialeigenschaften, die im Labor gemessen wurden, direkt in das Modell integriert werden, basierend auf dem Complex-Refractive-Index-Model (CRIM). Die CRIM-Formel beschreibt den temperatur- und frequenzabhängigen effektiven Dielektrizitätskoeffizienten (DK) von Stoffgemischen, wobei ein Medium aus Bodenmatrix, Luft und Wasser betrachtet wird. Der DK der Bodenmatrix und der Luft wird als frequenzunabhängig angenommen, während die Debye-Relaxation und die Leitfähigkeit von Wasser berücksichtigt werden. Simulationen mit dem (FD)2-TD-Code wurden mit Berechnungen unter Verwendung frequenzunabhängiger Materialparameter (Yee, 1966) verglichen. Diese Vergleiche zeigen, dass die Relaxation des Wassers die Ausbreitung der GPR-Wellen beeinflusst und dass frequenzunabhängige Materialeigenschaften nur eine Annäherung an die Realität darstellen, insbesondere bei Materialien mit hohem Wasseranteil.