In dieser Arbeit wird der Einsatz von Leckwellenleiter (engl. Leaky Coaxial Cable, LCX) zur funkgestützten Indoor-Positionierung in Fahrgastzellen untersucht. Mit Hilfe eines erstellten Vorgehensmodells werden zwei unterschiedliche LCX-Prototypen speziell für den Ortungseinsatz entwickelt. Hierbei wird die elektromagnetische Feldberechnung verwendet, um sowohl Leckwellenleiterstrukturen als auch deren Einsatz in einer Fahrgastzelle zu bewerten. Nach Fertigung beider Leckwellenleiter erfolgt eine messtechnische Validierung in einer vordefinierten Fahrgastzellenumgebung. Der Einsatz dieser Prototypen zur Indoor-Positionierung wird sowohl in Modell- als auch in realen Fahrzeugumgebungen, wie der AutoTram Extra Grand des Fraunhofer IVI, durchgeführt. Eine statistische Betrachtung von Messergebnissen sowie die Vorstellung eines zonenselektiven Positionierungsansatzes schließen diese Arbeit.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

This work presents a robust dual band local positioning system (LPS) working in the 2.4GHz and 5.8GHz industrial science medical (ISM) bands. Position measurement is based on the frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar approach, which uses radio frequency (RF) chirp signals for propagation time and therefore distance measurements. Contrary to state of the art LPS, the presented system uses data from both bands to improve accuracy, precision and robustness. A complete system prototype is designed consisting of base stations and tags encapsulating most of the RF and analogue signal processing in custom integrated circuits. This design approach allows to reduce size and power consumption compared to a hybrid system using off-the-shelf components. Key components are implemented using concepts, which support operation in multiple frequency bands, namely, the receiver consisting of a low noise amplifier (LNA), mixer, frequency synthesizer with a wide band voltage-controlled oscillator (VCO) having broadband chirp generation capabilities and a dual band power amplifier. System imperfections occurring in FMCW radar systems are modelled. Effects neglected in literature such as compression, intermodulation, the influence of automatic gain control, blockers and spurious emissions are modeled. The results are used to derive a specification set for the circuit design. Position estimation from measured distances is done using an enhanced version of the grid search algorithm, which makes use of data from multiple frequency bands. The algorithm is designed to be easily and efficiently implemented in embedded systems. Measurements show a coverage range of the system of at least 245m. Ranging accuracy in an outdoor scenario can be as low as 8.2cm. Comparative dual band position measurements prove an effective outlier filtering in indoor and outdoor scenarios compared to single band results, yielding in a large gain of accuracy. Positioning accuracy in an indoor scenario with an area of 276m² can be improved from 1.27m at 2.4GHz and 1.86m at 5.8GHz to only 0.38m in the dual band case, corresponding to an improvement by at least a factor of 3.3. In a large outdoor scenario of 4.8 km², accuracy improves from 1.88m at 2.4GHz and 5.93m at 5.8GHz to 0.68m with dual band processing, which is a factor of at least 2.8. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines robusten lokalen Positionierungssystems (LPS), welches in den lizenzfreien Frequenzbereichen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (industrial, scientific, medical, ISM) bei 2,4GHz und 5,8GHz arbeitet. Die Positionsbestimmung beruht auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (frequency modulated continuous wave, FMCW-Radar), welches hochfrequente Rampensignale für Laufzeitmessungen und damit Abstandsmessungen benutzt. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten auf diesem Gebiet benutzt das vorgestellte System Daten aus beiden Frequenzbändern zur Erhöhung der Genauigkeit und Präzision sowie Verbesserung der Robustheit. Ein Prototyp des kompletten Systems bestehend aus Basisstationen und mobilen Stationen wurde entworfen. Fast die gesamte analoge hochfrequente Signalverarbeitungskette wurde als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Verglichen mit Systemen aus Standardkomponenten erlaubt dieser Ansatz die Miniaturisierung der Systemkomponenten und die Einsparung von Leistung. Schlüsselkomponenten wurden mit Konzepten für mehrbandige oder breitbandige Schaltungen entworfen. Dabei wurden Sender und Empfänger bestehend aus rauscharmem Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer mit breitbandiger Frequenzrampenfunktion implementiert. Außerdem wurde ein Leistungsverstärker für die gleichzeitige Nutzung der beiden definierten Frequenzbänder entworfen. Um Spezifikationen für den Schaltungsentwurf zu erhalten, wurden in der Fachliteratur vernachlässigte Nichtidealitäten von FMCW-Radarsystemen modelliert. Dazu gehören Signalverzerrungen durch Kompression oder Intermodulation, der Einfluss der automatischen Verstärkungseinstellung sowie schmalbandige Störer und Nebenschwingungen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden benutzt, um eine Spezifikation für den Schaltungsentwurf zu erhalten. Die Schätzung der Position aus gemessenen Abständen wurde über eine erweiterte Version des Gittersuchalgorithmus erreicht. Dieser nutzt die Abstandsmessdaten aus beiden Frequenzbändern. Der Algorithmus ist so entworfen, dass er effizient in einem eingebetteten System implementiert werden kann. Messungen zeigen eine maximale Reichweite des Systems von mindestens 245m. Die Genauigkeit von Abstandsmessungen im Freiland beträgt 8,2cm. Positionsmessungen wurden unter Verwendung beider Einzelbänder durchgeführt und mit den Ergebnissen des Zweiband-Gittersuchalgorithmus verglichen. Damit konnte eine starke Verbesserung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Die Genauigkeit in einem Innenraum mit einer Grundfläche von 276m² kann verbessert werden von 1,27m bei 2,4GHz und 1,86m bei 5,8GHz zu nur 0,38m im Zweibandverfahren. Das entspricht einer Verbesserung um einen Faktor von mindestens 3,3. In einem größeren Außenszenario mit einer Fläche von 4,8 km² verbessert sich die Genauigkeit um einen Faktor von mindestens 2,8 von 1,88m bei 2,4GHz und 5,93m bei 5,8GHz auf 0,68m bei Nutzung von Daten aus beiden Frequenzbändern.

Background: Delivery room management (DR) of the newly born infant should be performed according to international guidelines, but no recommendations are available for an infant’s position immediately after birth. The present study was performed to answer the following questions: 1. How often is DR-management performed in term infants in side position? 2. Is routine DR-management possible in side position? 3. Is there any benefit of side position with respect to agitation or vital parameters? Methods: Cross-sectional study of video-recorded DR-management in term newborns delivered by C-section in 2012. Videos were analysed for infant’s position, administered interventions, vital parameters and agitation. Results: 187 videos were analysed. The Main Position (defined as position spent more than 70% of the time) was “supine” in 91, “side” in 63 and “not determinable” in 33 infants. “Supine” infants received significantly (p < 0.001) more often stimulation (12.5% of the total time) than “side” infants (3.9% of time). There were no differences between both groups with regard to suctioning; CPAP was exclusively (98%) administered in supine position. Newborns on side were less agitated than those on supine. There was a trend towards a better oxygenation in “side” positioned infants (p = 0.055) and significantly (p = 0.04) higher saturation values in “left-sided” infants than “right-sided” infants at 8th minute. “Side” positioned infants reached oxygen saturation values >90% earlier than “supine” positioned infants (p = 0.16). Conclusions: DR-management is feasible in the side position in term infants. Side position seems to be associated with reduced agitation and improved oxygenation. However, it remains unclear whether this represents a causal relationship or an association. The study supports the need for a randomized controlled trial.

Thesis (doctoral)--Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2007. / Includes bibliographical references (p. 271-284).

Background: Delivery room management (DR) of the newly born infant should be performed according to international guidelines, but no recommendations are available for an infant’s position immediately after birth. The present study was performed to answer the following questions: 1. How often is DR-management performed in term infants in side position? 2. Is routine DR-management possible in side position? 3. Is there any benefit of side position with respect to agitation or vital parameters? Methods: Cross-sectional study of video-recorded DR-management in term newborns delivered by C-section in 2012. Videos were analysed for infant’s position, administered interventions, vital parameters and agitation. Results: 187 videos were analysed. The Main Position (defined as position spent more than 70% of the time) was “supine” in 91, “side” in 63 and “not determinable” in 33 infants. “Supine” infants received significantly (p < 0.001) more often stimulation (12.5% of the total time) than “side” infants (3.9% of time). There were no differences between both groups with regard to suctioning; CPAP was exclusively (98%) administered in supine position. Newborns on side were less agitated than those on supine. There was a trend towards a better oxygenation in “side” positioned infants (p = 0.055) and significantly (p = 0.04) higher saturation values in “left-sided” infants than “right-sided” infants at 8th minute. “Side” positioned infants reached oxygen saturation values >90% earlier than “supine” positioned infants (p = 0.16). Conclusions: DR-management is feasible in the side position in term infants. Side position seems to be associated with reduced agitation and improved oxygenation. However, it remains unclear whether this represents a causal relationship or an association. The study supports the need for a randomized controlled trial.

The controlled positioning of DNA nanostructures on technologically relevant surfaces represents a major goal along the route toward the full-scale integration of DNA-based materials into nanoelectronic and sensor devices. Previous attempts to arrange DNA nanostructures into defined arrays mostly relied on top-down lithographic patterning techniques combined with chemical surface functionalization. Here we combine two bottom-up techniques for nanostructure fabrication, i.e., self-organized nanopattern formation and DNA origami self-assembly, in order to demonstrate the electrostatic self-alignment of DNA nanotubes on topographically patterned silicon surfaces. Self-organized nanoscale ripple patterns with periodicities ranging from 20 nm to 50 nm are fabricated by low-energy ion irradiation and serve as substrates for DNA origami adsorption. Electrostatic interactions with the charged surface oxide during adsorption direct the DNA origami nanotubes to the ripple valleys and align them parallel to the ripples. By optimizing the pattern dimensions and the Debye length of the adsorption buffer, we obtain an alignment yield of ~70%. Since this novel and versatile approach does not rely on any chemical functionalization of the surface or the DNA nanotubes, it can be applied to virtually any substrate material and any top-down or bottom-up nanopatterning technique. This technique thus may enable the wafer-scale fabrication of ordered arrays of functional DNA-based nanowires.

This work presents a robust dual band local positioning system (LPS) working in the 2.4GHz and 5.8GHz industrial science medical (ISM) bands. Position measurement is based on the frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar approach, which uses radio frequency (RF) chirp signals for propagation time and therefore distance measurements. Contrary to state of the art LPS, the presented system uses data from both bands to improve accuracy, precision and robustness. A complete system prototype is designed consisting of base stations and tags encapsulating most of the RF and analogue signal processing in custom integrated circuits. This design approach allows to reduce size and power consumption compared to a hybrid system using off-the-shelf components. Key components are implemented using concepts, which support operation in multiple frequency bands, namely, the receiver consisting of a low noise amplifier (LNA), mixer, frequency synthesizer with a wide band voltage-controlled oscillator (VCO) having broadband chirp generation capabilities and a dual band power amplifier. System imperfections occurring in FMCW radar systems are modelled. Effects neglected in literature such as compression, intermodulation, the influence of automatic gain control, blockers and spurious emissions are modeled. The results are used to derive a specification set for the circuit design. Position estimation from measured distances is done using an enhanced version of the grid search algorithm, which makes use of data from multiple frequency bands. The algorithm is designed to be easily and efficiently implemented in embedded systems. Measurements show a coverage range of the system of at least 245m. Ranging accuracy in an outdoor scenario can be as low as 8.2cm. Comparative dual band position measurements prove an effective outlier filtering in indoor and outdoor scenarios compared to single band results, yielding in a large gain of accuracy. Positioning accuracy in an indoor scenario with an area of 276m² can be improved from 1.27m at 2.4GHz and 1.86m at 5.8GHz to only 0.38m in the dual band case, corresponding to an improvement by at least a factor of 3.3. In a large outdoor scenario of 4.8 km², accuracy improves from 1.88m at 2.4GHz and 5.93m at 5.8GHz to 0.68m with dual band processing, which is a factor of at least 2.8. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines robusten lokalen Positionierungssystems (LPS), welches in den lizenzfreien Frequenzbereichen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (industrial, scientific, medical, ISM) bei 2,4GHz und 5,8GHz arbeitet. Die Positionsbestimmung beruht auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (frequency modulated continuous wave, FMCW-Radar), welches hochfrequente Rampensignale für Laufzeitmessungen und damit Abstandsmessungen benutzt. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten auf diesem Gebiet benutzt das vorgestellte System Daten aus beiden Frequenzbändern zur Erhöhung der Genauigkeit und Präzision sowie Verbesserung der Robustheit. Ein Prototyp des kompletten Systems bestehend aus Basisstationen und mobilen Stationen wurde entworfen. Fast die gesamte analoge hochfrequente Signalverarbeitungskette wurde als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Verglichen mit Systemen aus Standardkomponenten erlaubt dieser Ansatz die Miniaturisierung der Systemkomponenten und die Einsparung von Leistung. Schlüsselkomponenten wurden mit Konzepten für mehrbandige oder breitbandige Schaltungen entworfen. Dabei wurden Sender und Empfänger bestehend aus rauscharmem Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer mit breitbandiger Frequenzrampenfunktion implementiert. Außerdem wurde ein Leistungsverstärker für die gleichzeitige Nutzung der beiden definierten Frequenzbänder entworfen. Um Spezifikationen für den Schaltungsentwurf zu erhalten, wurden in der Fachliteratur vernachlässigte Nichtidealitäten von FMCW-Radarsystemen modelliert. Dazu gehören Signalverzerrungen durch Kompression oder Intermodulation, der Einfluss der automatischen Verstärkungseinstellung sowie schmalbandige Störer und Nebenschwingungen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden benutzt, um eine Spezifikation für den Schaltungsentwurf zu erhalten. Die Schätzung der Position aus gemessenen Abständen wurde über eine erweiterte Version des Gittersuchalgorithmus erreicht. Dieser nutzt die Abstandsmessdaten aus beiden Frequenzbändern. Der Algorithmus ist so entworfen, dass er effizient in einem eingebetteten System implementiert werden kann. Messungen zeigen eine maximale Reichweite des Systems von mindestens 245m. Die Genauigkeit von Abstandsmessungen im Freiland beträgt 8,2cm. Positionsmessungen wurden unter Verwendung beider Einzelbänder durchgeführt und mit den Ergebnissen des Zweiband-Gittersuchalgorithmus verglichen. Damit konnte eine starke Verbesserung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Die Genauigkeit in einem Innenraum mit einer Grundfläche von 276m² kann verbessert werden von 1,27m bei 2,4GHz und 1,86m bei 5,8GHz zu nur 0,38m im Zweibandverfahren. Das entspricht einer Verbesserung um einen Faktor von mindestens 3,3. In einem größeren Außenszenario mit einer Fläche von 4,8 km² verbessert sich die Genauigkeit um einen Faktor von mindestens 2,8 von 1,88m bei 2,4GHz und 5,93m bei 5,8GHz auf 0,68m bei Nutzung von Daten aus beiden Frequenzbändern.

Der Zugang zu wirtschaftsstrategischen Bodenschätzen ist für moderne Industriegesellschaften von essenzieller Bedeutung. Für Deutschland besteht für die Versorgung mit nichtenergetischen Rohstoffen wie Stahlveredlern und Seltenen-Erden eine weitgehende Importabhängigkeit. Vorhandene heimische Lagerstätten weisen eine komplexe geologische Struktur mit geringen Abbaumächtigkeiten in großen Teufen auf. Um diese Lagerstätten nutzen zu können, soll ein untertagetaugliches Positionierungs- und Navigationssystem, UPNS4D+, für die Erkundung der Lagerstätte entwickelt und als Demonstrationssystem gebaut werden. Das Institut für Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie ist Teil des Entwicklerkonsortiums. Es ist zuständig für die markscheiderische und bergmännische Nutzbarkeit der mit dem Erkundungssystem gewonnen Daten. Entsprechend dem aktuellen Arbeitsfortschritt werden im vorliegenden Beitrag die Lösungen für die Kluftflächen- und die Haufwerksanalyse vorgestellt. Die teilautomatisierte Haufwerksanalyse dient der Detektion großer Partikel und deren Lagebestimmung in einem relativen Koordinatensystem. / Access to strategic mineral resources is essential for modern industrial societies. Germany is largely dependent on imports of non-energy raw materials such as steel refiners and rare earth elements. Existing indigenous deposits have a complex geological structure with low extraction thickness in large depths. In order to use these deposits, an underground positioning and navigation system, namely UPNS4D+, as a demonstration system has to be developed for deposit exploration. As part of the developer consortium, the Institute for Mining Surveying and Geodesy of the TU Bergakademie Freiberg is responsible for the utilization of the acquired data in the field of mining. According to the current work status, in this paper the solutions for rock fracture analysis and grain size analysis are presented. The partly automated grain size analysis is used for the detection of large particles and their position in a relative coordinate system.

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