CN1959432A - 多维成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多维成像方法及装置。一种使用微波为反射点确定位置的方法、天线和系统。产生一个确定频率的电磁波信号，并通过一个天线单元发射出去。该天线单元包括一个发射机天线和多个接收机天线，该接收机天线被与天线的主视线垂直的已知间隔开来，并被设计以接收发射波的反射部分。相位比较器装置与该发射机天线和接收机天线相连，一个与该相位比较器装置相连的控制单元可操作以通过检测到的至少两个接收机天线之间的相位差和所述至少两个接收机天线之间的间隔计算到反射点的角度，以及根据该频率，通过该发射机天线和一个接收机天线之间检测到的相位差计算到该反射点的距离。

Description

多维成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种通过使用干涉电磁辐射确定反射点在空间中位置的方案。更具体而言，本发明涉及使用雷达天线阵列获得物体和表面的三维图像数据的装置和方法。

背景技术

在不同的应用中，需要获得特定元素在空间中的位置的度量。在本文中，位置可能是一维、二维或三维的相对位置。这可能涉及相对于一个参考位置定位离散元素，或者获得一个表面或整个实体的图像表示。

一种定位的方法是使用雷达、无线电探测和距离搜索。术语雷达被认为是一种方法，其通过使用短的电磁波探测物体，特别是远距离物体，并且确定它们的位置和动作。雷达包括具有天线的发射机、一个反射目标、一个具有天线的接收机，所述天线可能与发射机天线相同、以及一个在该天线和目标之间的传输通道。雷达系统最初是为军事目的而开发的，但是现在也用于许多民用和工业应用中。在雷达的一般概念中，有许多具有不同特征的不同的方法和装置，并且雷达应用通常工作在1～100GHz的微波范围内。当其用于定位时，使用的不同的雷达技术包括脉冲雷达、FMCW雷达和干涉雷达。脉冲雷达发射短周期电磁脉冲，其可能为载波调制或者未调制的。到目标的距离从发送到接收之间的传送时间中计算出来。在FMCW，调频连续波雷达中，信号是连续提供的，而其频率是被调制的，通常为连续的线性斜坡。这意味着通过计算当前发射波和同时的接收波之间的频差，可以获得一个KHz级数上的低频差，所述波在频率斜坡上在不同的时间点被发射。该信号的频率与目标的距离是成比例的。干涉雷达通过在一个特定时间周期内发射固定频率的信号，并比较该发射信号与其在目标处被反射后接收的信号而工作。通过在一个干涉仪内合成该发送信号和接收信号以获得一个混合信号，可由此推导出信号间的相对相位。可获得的精确性相对较高，但其结果是随着该信号半波长周期性变化的。

现有技术

基于上述技术的基本原理，许多不同的用于测量到目标距离的方案已被提出。当测量到一个物体的距离时，一种有向天线被典型地用于发射和接收，如角形天线或者抛物线天线。这些装置被广泛的用于不同的工业应用中，如对液体介质的无接触测量，特别是测量一维距离。出于许多目的，一维距离的测量并不足够。

一个用于雷达表面检测的已知解决方案是合成孔径雷达SAR，其使用一个运动的平台来模拟一根长天线。该平台可能是飞行器或者人造卫星。从船上雷达上发射一个脉冲并在该平台在目标区域上飞行中接收反射信号。因此，相同的接收机被用于接收飞行路径上不同位置的信号。这样，一根与脉冲长度上的飞行路径长度相同的长天线可被合成。SAR主要用于地球资源监控和绘图或者军事应用。2001年7月，IEEETransactions on Image Processing，第10卷，第7号，Xiaojian Xu等人的“Three-Dimensional Interferometric ISAR Imaging for ScatteringDiagnosis and Modelling”中公开了一种由二维逆SAR(ISAR)成像转换到三维的方法。这篇文献中提出，通过综合两个在不同高度上的天线执行的测量的二维图像，可克服二维ISAR图像不能提供目标上每个分散中心的相对高度的信息的缺点。

另一个用于二维成像的已知方法是相控阵列雷达，其使用多个天线，通常是小的无线电角形元件或者片状元件，以合成一个大的天线。这些天线元件通过嵌入式系统计算机定相以形成一个光束尺寸为阵列直径的单光束。通过引入基于元件的相位偏移量来在空中定位该光束。以高角分辨率，通过光束发射一个脉冲并从同一个光束中接收脉冲。因此可容易地改变空中的雷达点，并且可通过小光束有效地扫描天空以避免被探测。相控阵列雷达通过小光束扫描来工作，其典型为军事应用而开发以获得一个小角度光束并能追踪目标而不需使用运动部件。

然而，另一个用于二维成像的解决方法在2003年9月22日的AppliedPhysics Letters第83卷，第12号中John F.Federici等人的“TerahertzImaging Using an Interferometric Array”中提出。在该文献中，提出使用单个的检波器阵列组成一个成像干涉仪，其中每个检波器测量输入的THz辐射的振幅和相位。通过这些的单个检波器的所有不同的对组合的空间傅立叶分量产生图像。

发明内容

本发明的一个总的目标是提供一种方法和系统，其发射电磁信号并通过检测那些位置的反射点反射回来的信号，确定空间中的位置。更具体而言，本发明的目的是能够在三维中确定反射点的位置。

根据本发明的第一个方面，该目标可根据附随的权利要求通过一种方法，以及一种装置和一种被设计以执行该方法的天线单元来实现。更具体而言，本发明提供一种用于为反射点确定位置并基于该定位的反射点产生表面和体积的三维表示的方法。优选的，本发明使用一种具有广角发射光束和接收机视场角的天线设计，这样一个完整的表面区域或者物体便可被同时暴露和定位。各种优选的实施例和应用领域将在附随的权利要求中介绍。

附图说明

本发明优选的实施例将参照附图详细描述，其中

图1示意性地说明了根据用于确定位置的本发明的一个实施例的用于确定一个或多个反射点位置的一种装置的系统设置；

图2示意性地说明了根据本发明的一个实施例的天线单元的一个实施例；

图3示意性地说明了根据本发明的一个实施例的使用天线在极坐标中对一个偏离中心的目标位置的定位；

图4根据图3示意性地说明了通过该天线在平面投影中对偏离中心的目标的定位；

图5示意性地说明了根据本发明的一个实施例的对三维平面上的多个反射点的定位；

图6示意性地说明了根据本发明的一个实施例的从检测的反射点形成的表面表示；

图7示意性地说明了根据本发明的一个实施例的对三维物体上两个深度反射点的定位；

图8示意性地说明了根据本发明的一个实施例的通过天线对使用笛卡尔坐标的表面位置的确定；

图9～10示意性地说明了一种确定一个或多个反射点的位置的装置以用于货物容器的应用；

图11示意性地说明了一种确定一个或多个反射点的位置的装置以用于探地雷达系统的应用；

图12示意性地说明了一种确定一个或多个反射点的位置的装置以用于与工业机器人一同使用的应用；

图13示意性地说明了一种确定一个或多个反射点的位置的装置以用于定位和引导车辆的应用；以及

图14～15示意性地说明了一种确定一个或多个反射点的位置的装置以用于为监测熔炉中炉渣表面的应用。

图16示意性地说明了一种使用向量网络分析仪的典型的实验配置。

实施例说明

本发明涉及一种新的方法和装置或者系统，其通过发射电磁信号并检测在那些位置上反射点反射的信号来在空间中确定位置。

在图1中说明了在本发明实施例中使用的装置的示意图。信号发生器1产生确定频率的信号。该信号通过电缆传送到功率分配器2，在功率分配器2上一个分支通过电缆传送到发射机天线3上，第二个分支通过电缆传送到被用作参考信号的相位比较单元5。该发射机天线3，即，发射机被设计用于例如以圆偏振无线电波的形式，向一个或多个反射点(没有在图1中示出)发射由信号发生器1产生的电磁信号。当发射信号击中一个或多个目标反射点，它至少被部分地反射，该反射信号由带有放大器的接收机天线4，即接收机接收。对于圆偏振波，由于奇数个反射，以反向圆偏振接收反射信号。该接收到的信号通过一个电缆发送到相位比较器5，并在那里与时间参考信号的共轭进行复式乘法。该复共轭乘法的相位和可能的幅度一同通过计算机6存储在一个表中，并且信号发生器频率步进地产生信号并采取一种新的测量方法。该过程一直继续直到频带上特定数量的频率通道被单独的测量。该装置通过一个包括计算机如计算机6的控制单元控制，其也存储数据和执行信号分析。

图2示意性地说明了也称为干涉仪的天线单元30的一个实施例。根据本发明，天线单元30包括一个对应于图1中的天线3的发射机天线31，以及对应于图1中的天线4的多个接收机天线或者检测器32。该发射机天线31可与接收机天线32相分离，但是优选的，接收机天线32中的一个也作为发射机天线31工作。图2说明了带有20个天线元件的实施例，这20个天线元件被设计作为20个接收机天线32，其中一个也被设计作为发射机天线31。这只是一个可能的数量的不限制数量天线元件的一种。已经成功地进行了对32个天线元件的测试。这些天线元件优选地由支撑部件33支撑，在其上它们被恰当地连接，以至于它们至少在一维空间上隔离开来，并且优选地在图2所示的平面中隔离开来。该平面的法线方向，也就是如图2所示的较低平面的平面，为天线单元30确定了一个主视线。该天线可能是用其上导电材料片被蚀刻的介电材料制成的平板膜。该导电片单独形成以构成用于合适的波长的天线元件。用于天线的光束在微波区域中被衍射限制，其具有约为λ/d的半功率波瓣宽度(half power beamwidth)，其中λ为微波波长，d为天线的物理直径。选择该天线元件的尺寸以使得每个单独的天线光束覆盖将要测量的整个体积，例如120度。

天线元件31、32被构造来获得一个大的束宽模式或者视场角以使得每个天线元件照亮目标的大的表面区域或者检测来自目标的大的表面区域的辐射。这样，天线单元30被设计用于同时地在一个固定频率的干涉电磁波下暴露一个要定位的整个区域或者物体，并接收来自该整个区域或者物体的反射信号。

图3示意性地说明了一个天线单元30如何确定一个坐标系统，其中反射点P的位置在极坐标系统中确定，其中P具有一个与天线单元30选择的中心相关的坐标P(r，，θ)。该主视线由z表示，其为天线单元的天线元件31和32放置的平面的法线方向。

图4是示出通过天线30在图3的三维系统的平面上投射的简图，并作为理解根据本发明的定位方法如何工作的基本实例。图4示意性的说明了从P点反射回来的电磁波阵面E如何被天线单元30接收。在该投射中，两个接收机天线321和322在主视线z的垂直方向上分隔间隔d。此外，在示出的投射中，从P返回的该电磁波以一个相对于主视线的角α被接收。该接收的干涉电磁波E的周期如图中所示，通过其可很明显的看出在接收机天线321和接收机天线322中同时检测到的信号之间有相位差。由于发射频率已知，因此接收波E的频率已知并且波阵面E的波长也是已知的。通过综合分析两个接收机天线321和322中的检测信号，可以计算表示所检测到的相位差的距离Δ。使用该计算的距离Δ和已知间隔d，角度α的测量通过α＝arcsin(Δ/d)来计算。不用说，该计算的值Δ将以波E的半波长周期为周期，所以理论上多个不同的入射角可能产生相同的所检测的相位差。然而，如果使用了一个波频，如1GHz，并且间隔d在几厘米的级别上，那么将只有一个角度可能从该等式中计算出，也就是，其中Δ/d＜1。此外，即使使用了一个较高的频率和一个较大的间隔d，正确的角度α也将通过使用两个以上的接收机天线以及合并来自一对以上这样的天线的信号来锁定。如果例如使用了三个天线，一、二和三，那么正确的角度α将与在天线对一加二、二加三、一加三上所作的角度计算相匹配。对于给定数量N个接收机天线，需要N(N-1)/2个可能的对组合。通过在天线单元30的平面中至少两个不平行方向进行这些计算，在与天线单元30相关的二维中确定位置P。

为了测量到目标P的距离r，使用了一个频率步进函数。一个波信号相对于另一个波信号的时延在傅立叶或者频率空间是相对于频率的线性相移。如果一个波被发射到一个反射点P并反射回来，该发射波和接收波的相对相位将因此随频率线性变化。根据本发明，该结果被用于建立对目标P的距离r的测距。如上所述，为了建立对目标的角度的测量，在检测接收到的反射波阵面期间，为该干涉波保持一个固定的频率。然而，通过进一步地逐步改变发射信号的频率，并且测量每个步进中的发射波和接收波之间的相位差，其中仍保持固定频率，作为发射波频率的函数的相位差的图示将是具有对应于反射波的传播时延Δt的斜率的直线。优选的，该频率在一个频带内以多个步进发生改变，并且使用一个线性函数来建立传播时延Δt的计算值，其代表了天线单元30和目标反射点P之间的光距。该频带被选择以最优的适用于表面的反射和通过材料的发射。该频带用于炉渣和钢铁应用可能为10～12GHz，用于沙面反射为60～70GHz。频率步进的数量取决于距离的不确定，即，由所使用的采样进行测量的最远距离。选择频率带宽的宽度以达到最大分辨率，其对于所要求的距离的不确定和采样为1/带宽。如果天线单元30和目标P之间的当前介质的折射率是已知的或者可获得的，典型的为空气，那么实际的物理距离r可被计算出来。

参照图8，现在将详细描述根据本发明用于在三维空间中确定位置的本发明背后的原理。图8基本说明了与图3相同的情况，但是是在一个俯视体积W的无线电干涉仪的天线的几何学笛卡尔坐标系统中。x，y，τ代表安装了干涉仪的天线元件的天线上的位置的笛卡尔坐标。X，Y，Z代表该体积W的笛卡尔坐标系统。τ＝z/c，其中c为空气中的光速，是天线到体积W的上参考表面的线性时延，Δτ＝2Z/V，其中V为体积W中的光速，是用于体积W中深度测量的附加时延。x，y，z坐标系统的圆点被定义为干涉仪的相位中心，X，Y，Z坐标系统的圆点被定义为体积W中的参考位置。

发射机被放置于干涉仪的相位中心并直接发射一个平面波到体积W中的参考位置，以使坐标向量z和Z平行于同一个坐标轴。沿着坐标轴z的坐标系统之间的距离被定义为R。该被照亮的体积是具有参考位置S的W。

干涉仪的两个接收元件被放置于干涉仪平面中的位置x1，y1和x2，y2。首先我们考虑一个在体积W的上参考平面的位置X，Y处的表面元件ds。一个频率为v_k的无线电波，其中k为频率下标，在参考时间t从参考点被发射到X，Y。该无线电波将通过R₀+R₁的距离到达x1，y1的接收元件，通过R₀+R₂的距离到达x2，y2的接收元件。因此，该电波将被延迟：

τ₁＝(R₀+R₁)/c，对于x1，y1，

τ₂＝(R₀+R₂)/c，对于x2，y2。

在X，Y平面S中的每个元件在干涉平面上在x1，y1处产生一个电场E₁(s，t)，在位置x2，y2处产生一个电场E₂(s，t)。每个接收机的总电场为被照亮的体积W的平面S上的所有元件的积分：

$e_1\left(t\right)=\underset{s}{\∫}{E}_1(s,t)\mathrm{ds}$

$e_2\left(t\right)=\underset{s}{\∫}{E}_2(s,t)\mathrm{ds}$

该空间互相干函数可表示为：

${\mathrm{\Γ}}_{12}\left(t\right)=\⟨e_1(t-{\mathrm{\τ}}_1)e_2^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_2\⟩$

以下我们将假设来自不同区域的反射为统计上独立的，也就是反射信号在空间上不相干。相干区域在体积成像上将产生斑点并可被分别的处理。来自于源的不同部分的反射产生的被积函数中的项的叉积将被删除，并且只有来自表面元件ds的场必须被考虑。与元件ds分离一段距离的复振幅与该距离成反比例并可表示为：

$\frac{P(t-{\mathrm{\τ}}_n)}{R_n}$

假设所有研究的体积具有相同的照射，我们可把来自S的X，Y处的元件ds的互相干函数表示为：

${\⟨e_1(t-{\mathrm{\τ}}_1)e_2^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_2)\⟩}_m=\⟨P\left(t\right)P^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\τ}}_1)\⟩\frac{e^{[-j2{\mathrm{\πv}}_k(t-{\mathrm{\τ}}_1)]}}{R_1}\frac{e^{\left[j2{\mathrm{\πv}}_k(t-{\mathrm{\τ}}_2)\right]}}{R_2}$

$=\⟨P\left(t_1\right)P^{*}(t--({\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)\⟩\frac{e^{\left[j2\mathrm{\π}{v}_k({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)\right]}}{R_1{R}_2}$

如果波到达x1，y1和x2，y2的时间差(τ₂-τ₁)比单个的频率信道的带宽的倒数(Δv)^-1小，也就是在系统的时间积分段之内，那么可忽略等式右边方括号中的项，于是：

$\⟨e_1\left(t\right)e_2^{*}(t-\mathrm{\Δ\τ})\⟩=\⟨P\left(t\right)P^{*}\left(t\right)\⟩\frac{e^{\left[{j2\mathrm{\πv}}_k({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)\right]}}{R_1{R}_2}$

或者在笛卡尔坐标中：

$\⟨e_1(t-{\mathrm{\τ}}_1)e_2^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_2)\⟩=\⟨P\left(t\right)P^{*}\left(t\right)\⟩\frac{e^{[{j2\mathrm{\πv}}_k((R_1-R_2)/c)}}{R_1{R}_2}$

参考当来自发射机的平面波撞击到体积W的参考表面的时间点，量<P(t)P^*(t)>为体积W中平面Z(＝0)上像素ds的平均时间强度(亮度)B(X，Y，Z)的度量。对体积W的整个表面的积分给出了点x1，y1和x2，y2上的场的频道v_k上的互相干函数：

${\mathrm{\&Gamma;}}_{12}(v_k,t)=\&lang;e_1(t-{\mathrm{\&tau;}}_1)e_2^{*}(t-{\mathrm{\&tau;}}_2)\&rang;=\underset{s}{\&Integral;}\frac{B(X,Y,Z)e^{[j{2\mathrm{\&pi;v}}_k(R_1-R_2)/c}}{R_1{R}_2}\mathrm{ds}$

注意到(R₁-R₂)/c是从表面元件ds到位于x1，y1和x2，y2上的干涉仪元件的差分光传播时间。令R表示干涉仪平面与Z＝0的体积的参考位置S之间的距离，那么距离R₁和R₂可表示为：

$R_1^2={(x1-X)}^2+{(y1-Y)}^2+{(R+Z)}^2$

$R_2^2={(x2-X)}^2+{(y2-Y)}^2+{(R+Z)}^2$

这可被展开为二项展开式，其中只保留前两项：

$R_1\&ap;R+\frac{1}{2R}[{(x1-X)}^2+{(y1-Y)}^2]$

$R_2\&ap;R+\frac{1}{2R}[{(x2-X)}^2+{(y2-Y)}^2]$

这有效的假设了对被照亮表面区域的展开小于从干涉仪平面到体积参考点的距离R。我们可以把该传播时间差表示为：

$(R_1-R_2)/c=\frac{{(x_1^2+y_1^2)}^2-{(x_2^2+y_2^2)}^2}{2\mathrm{Rc}}+\frac{(x_2-x_1)X+(y_2-y_1)Y}{\mathrm{Rc}}$

以下我们将把空间互相干函数分母上的乘积R₁R₂近似为R²。

我们现作以下代入：

u_k＝(x1-x2)v_k/c

v_k＝(y1-y2)v_k/c

w＝v/c

n_sloxg＝c/V

ξ＝X/R＝sin()

η＝Y/R＝sin(θ)

dξdη＝ds/R²

$\mathrm{\&delta;}=\frac{x_1^2+y_1^2-(x_2^2+y_2^2}{2R}$

该空间互相干函数现在可表示为：

${\mathrm{\&Gamma;}}_{12}(u_k,v_k,t)=e^{j{2\mathrm{\&pi;v}}_k\mathrm{\&delta;}/c}\&Integral;\&Integral;B(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;},Z)e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_k\mathrm{\&xi;}+v_k\mathrm{\&eta;})}\mathrm{d\&xi;d\&eta;}$

这也是在位置u，v，(w＝0)以及频道k下的可见度函数：

$V_{12}(u_k,v_k,t)=e^{j{2\mathrm{\&pi;v}}_k\mathrm{\&delta;}/c}\&Integral;\&Integral;B(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;},Z)e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_k\mathrm{\&xi;}+v_k\mathrm{\&eta;})}\mathrm{d\&xi;d\&eta;}$

项2πv_kδ/c是由于波阵面不是完全平坦而导致的到两个干涉仪元件的路径差引起的相移。如果体积是在干涉仪的远场被测量的，那么该项由于很小可被忽略。如果体积处于干涉仪的近场，该项可通过使用球坐标而不是笛卡尔坐标被移除。

然后我们将考虑深度测量。参考时间t被定义为当波阵面离开干涉仪平面上的发射天线的时间。该发射波可被规范化并表示为：

$V_{\mathrm{tr}}\left(t\right)=e^{-{j2\mathrm{\&pi;v}}_{k}t}$

我们现在通过该互相关发射波与干涉仪12接收到的波来执行边缘停止(fringe stop)以获得时间相干函数：

$V(u_k,v_k,v)=\left(V_{\mathrm{tr}}\left(t\right)V_{12}^{*}(t+\mathrm{\&tau;})\right)=\&Integral;\&Integral;\&Integral;B(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;},Z)e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_k\mathrm{\&xi;}+v_k\mathrm{\&eta;}-\mathrm{rv})}\mathrm{d\&xi;d\&eta;d\&tau;}$

由于附加延迟在体积W中，认为τ＝-2Z/V，w_k＝v_k，现在我们可以把三维可见度函数表示为：

$V(u_k,v_k,w)=\&Integral;\&Integral;\&Integral;B(\mathrm{\&xi;},\mathrm{\&eta;},Z)e^{j2\mathrm{\&pi;}(u_k\mathrm{\&xi;}+v_k\mathrm{\&eta;}+2\mathrm{Zw})}\mathrm{d\&xi;d\&eta;dZ}$

除了这个小的补偿项，该可见度和亮度分布为傅立叶变换对，并且我们可以在u，v，w坐标系统中恢复体积W的三维反射分布：

B(ζ，η，Z)＝∫∫∫V(u，v，w)e^{-j2π(uζ+vη+2Zw)}dudvdw

为每个接收元件的每个频率接收数据。然后每个这样的元件信号将在每个频道中与参考单元中的发射信号做相位比较。每个频道中用于每个单元的该复电压将被存储在计算机中，分别在每个频道中作为基线对(baseline pairs)与每个其它单元相比。对于N个接收元件，每个频道中将有(N(N-1))/2个非多余的基线对。然后该新的数据体积被转换到X/R，Y/R，和Z坐标上以成像该三维反射体积。如果该体积的容量为已知的，如该数据为一个固体表面，那么该体积的模型可被假设，可为每个基线对和频率计算该模型的响应，比较该模型的数据与已测量的数据并统计地调整该模型以最小化已测量的数据和模型数据之间的差异。存在大量已知的误差最小化方法、最大熵法和最大似然法。

在一维情况下上述三维可见度函数简化为：

B(Z)＝∫V(w)e^-j2π2Zwdw

这就是用于在单个点上的常用深度测量的积分。在这种情况下发射机和接收机被放置在相同的单元上，并且每个频道中发射信号只与接收信号互相关。

图5和图6涉及本发明的优选实施例，其中所描述的定位系统和方法是用于一个完整的拓扑表面成像的，使用参照图8描述的方法。图5示意性的说明了一个放置于地面52上的堆状物体51。天线单元30放置于物体51上方并朝向该物体51。参照以上描述的过程，向物体发射一个干涉电磁波信号，根据天线单元30的接收机检测到的反射信号通过分析和计算可以检测和定位多个反射点53。对于每个定位的反射点53，其坐标被存储在与计算机系统相连的存储器中，例如，计算机5。图6示意性的说明了如何在一个定位坐标上执行图像处理软件以建立相邻坐标之间的连接并生成表面61，所述表面为被检测到的反射点53的位置的三维表示。有许多用于从离散点构造一个表面的已知模型，对使用的模型的选择可以取决于分辨率、精确度和处理功率的要求。

该定位系统和方法也可以用于对已经进行定位的视场角作更进一步的分析。为了该目的，计算机系统的计算单元可适用于优选地通过积分来确定由检测到的表面61确定的体积。在一个实施例中，体积确定可能通过对一个假想的较低表面62，即，位于检测的反射点远端的表面进行积分来执行，该较低表面的位置可以例如通过一个贯穿最远检测位置的平面表示。可选的，背景参考平面62的存在和位置可以通过预定义而得知，或者其可在没有反射点时被测量。典型地，该参考平面62可以是放置物体51的地面或地面高度。一旦该体积被测量到，由检测到的反射点53确定的表面61和参考表面62确定的物体的质量也可被估计。如果该物体的密度已知，那么这是一个简单的计算。

根据本发明的实施例，用于发射信号的电磁波的波长范围为1～100GHz。在该区域范围内，许多种材料是透明的或者是半透明的。这些材料的例子包括液体，如油，和颗粒状材料，如土壤、谷物、炭化煤，即所谓的焦炭。对于这些材料，波的传输将在第一表面产生一个反射，在第二表面产生第二次反射。在图7中示意性的说明了该情况的一个例子，其中将分析一个物体71。物体71对由朝向物体71的天线单元30发射的波长的辐射来说是半透明的。物体71被放置于背景表面72上或与之有一定距离的位置。为简单起见，图7中只示出了一个方向的测量，然而从以上应该了解一个全向天线适用于在该天线单元的全光束角内同时地发射干涉波，其可能为主视线75两侧120°。在本发明的定位过程中，第一反射点73被探测和定位，其表示一个位置，在其上发射波第一次以与主视线75成确定角α的方向上击中物体71。也为简单起见，角α只以横过主视线的一维空间显示。根据上述的方法定位反射点73。然而，由于物体71的表面对发射信号的辐射来说也是透明的，一部分辐射在73击中物体后将继续穿过物体71，如虚线所示。第一表面部分的反射率在强度上与(n₁-n₀)/(n₀+n₁)成正比，其中n₀代表物体前面的介质的折射率，典型地为空气，n₁代表物体71的折射率，其用于正被讨论的波频率。在传播通过物体71后，一个新的反射点74将反射该辐射的一部分，同样取决于折射率的偏移。尽管在图中没有示出，但是来自参考或者背景表面72的第三次反射也将被获得。

参考图9～15，以下将描述本发明的不同应用。在这些实施例中，用于确定位置、表面、体积、质量等的计算优选地通过图1所示的控制单元或计算机5执行的。这样的控制单元实际的实施例在此没有被详细地描述，但是这样的控制单元的一个实施例为具有微处理器系统和被设计来执行计算的程序代码的软件的计算机，其或多或少专用于每个实施例，但是每种情况适用哪个取决于参考图8所介绍的原理。应该也注意到，实际的计算不必在控制信号发生器的计算机5上执行，可能发生在与计算机5相连的其它控制单元上。

图9举例说明了本发明在货运容器90，如一艘船中的一个应用的实施例。在外壳91中，定义了一个或多个货物空间92。图9举例说明了在水93上漂浮的海船90，但是将要描述的该实施例也同样应用于空气容器，如飞机和直升机。货物空间92可能用来装载不同种类的货物94，特别是大体积的液体或颗粒状的物质。例如包括油和其它液体物质，煤、矿石、焦炭、零碎的金属等。与这些松散的货物相关的一个问题是，由于船的运动或货物拙劣的装载，货物可能在货物空间内浮动或者漂移。在一些点上，松散的货物在实质上偏离中心的移位可能导致船的倾斜，如图10所示。在水93或空气中稍微偏离最佳位置将导致燃料消耗的增加，这最终可能是危险的。

根据本发明的实施例，可通过提供参照图1～8提供的天线95，针对在货物空间92中的货物94形成使用参照图8所描述的方法为多个反射点确定位置的装置的一部分来克服该问题。天线95更适合放置于该货物空间92的顶部附近，并提供天线片以使该天线有一个至少在侧壁的预定高度以上的覆盖该货物空间的视场角。在本图中，通过点划线表示该视场角。天线95优选地耦合到一个监督系统，其包括到操作员的显示器或者数据输出端，这样可估算该货物上表面的当前形状和位置。有利地，该天线可偶合到一个用于确定该货物上表面96上多个反射点的位置的装置上，对应于参照图5和图6描述的本发明，该装置更进一步被设计来产生适合于已确定的所述多个反射点的位置的表面的三维表示。由于该天线的固定是与该货物空间相关的，该货物背景的位置和形状，也就是货物空间的侧壁将被很好的获知。此外，货物物质94的成分至少典型地被粗略知道。关于已知的背景的信息、该表面已确定的位置和形状信息以及物质94的密度信息可能被用于该监督系统。通过对紧靠背景的已确定的表面积分，可计算出货物94的体积的大小和形状，因此也可计算出该货物空间92的重心位置97。使用密度信息，该货物的总质量也可被计算出，从该计算出的总质量和重心97的位置可确定一个倾斜参数。该倾斜参数例如可能以由货物质量提供的倾斜力的量度的来提供，包括到船的重心的距离参数和货物质量的大小参数。在本发明的一个实施例中，该倾斜参数被计算出，并且当该倾斜参数超过一个预定值时，该监督系统被设计来触发一个警报或者一个信息输出。这可能用于货物装载中或者用于在航行中警报该监督系统的操作员，也可能用作重排该货物的决策基础。

图11举例说明了本发明用作地质雷达(GPR)的一个应用的实施例。GPR系统用于多种目的，用于定位地表下的物体。不同领域的应用包括用于管道、储水池和油桶、地质学研究、墓穴搜寻和考古学研究的定位。代表性地，一个较低的雷达频率比一个较高的频率更能穿透更深的地面。在一个给定的区域内进行GPR研究的一种标准过程是使用一个装在雪橇上的雷达，其具有基本的一维光束，并可在整个区域中来回拖动雪橇。然后为产生一个表面下的图像，合成在该过程中被捕获的雷达响应和该雷达雪橇运行的路径信息。该先有技术具有一些缺点，其中它非常笨重、耗时并且不适用于不平坦的表面。此外，为了获得正确的成像，必须仔细地控制该雪橇的路径。

根据图11的实施例，通过使用参照图1～8所介绍的天线111，根据图8所描述的方法形成为多个反射点确定位置的装置的一部分，提供了克服上述缺点的GPR系统。该天线在起重装置112，如一个起重机或一个履带车上放置在支撑结构113的抬高位置。因此天线111的位置直接与放置天线的支撑结构113的位置相连接，该支撑结构113通过传统的三角技术或者通过由履带车112中的GPS接收机(未示出)接收的GPS数据来定位。天线111的视场角(FOV)取决于天线111上的天线元件或者天线片的设计。目前，已生产出根据本发明的具有大于120°FOV的天线。理论上，如果这样一个天线111被用于根据图11的系统中，由履带车112保持在距离地表114以上5米的高度，那么该天线将覆盖超过230m²的表面区域。当放置到地表以上10m，理论的覆盖面接近1000m²。实际上，有利地是如上所述倾斜该支撑结构113以暴露该起重装置112前面的地面。使用参照图7以通用术语公开的过程和参照图8在体积W中测量的细节应用，将提供一种用于检测地下特征115的地质雷达系统和方法。该解决方案的一个优点在于被该天线覆盖的区域的整个图像将同时成像，而不必移动该天线。由于每个区域只需要一个定位步骤，这导致了对测量误差不敏感的简单过程。

图12举例说明了本发明一个应用的实施例，其作为用于工业机器人121的定位和操纵装置。机器人121具有一个固定的底座122，一个带有一个或多个连接臂和支点124、125、126的可动机械装置。机器人头部127连接在该机器人的前端部分。只提及一些公知的选择，例如该机器人头部127可能带有一个把手工具、焊接工具和装配工具。该机器人121用于在一些形式的物体上(未示出)操作，如一个装配线上的设备，其相对于该机器人底座122来说可能是静止的或者运动的。为了合适地工作和执行它的任务，该机器人特别是该机器人头部127需要合适地定位。

根据图12的实施例，一个用于该目的的定位系统包括参照图1～8所介绍的天线128，形成根据图8所描述的方法操作的、用于为多个反射点确定位置的装置的一部分。如所介绍的，在一个实施例中，天线128被机器人携带并用于暴露和定位与天线自身相关的多个反射点129。由于根据本发明的定位方法被设计以计算一个反射点的三维位置，因此该固定于该物体上的两个反射点129理论上足够保证对该物体在空间上的定位。天线128被固定在参照机器人头部127的一个预先设定的位置上，由此一旦天线128和反射点129之间的相对位置被确定，后者的位置也是可以被获取的。通过确定将要由机器人121操作的物体上的反射点129，使用天线和上面描述的用于为反射点确定位置的装置，确定该物体的位置。然后该机器人的头部127可以一种可控的方式接近该物体。

必须能从背景噪声水平中识别出反射点，因此需要在该天线128的视场角中捕获的整个图像中发现该反射点。这样做的一种方法是在该物体上被很好地确定的地方应用雷达目标，典型地为立方角形目标，类似于船上使用的雷达目标。

在图12的实施例中，天线128也可与该机器人分开提供，或者在机器人121的一个部分上，但不是固定在有关机器人头部127的位置而是有关固定的底座122的位置上。天线128仍然用于暴露和定位带有反射点129的物体。另一方面，机器人头部127的位置，可通过机器人底座122的固定位置和该机器人操作机械装置的相对设置来获知。于是，一个用于该机器人的控制系统可利用天线128确定的该物体的位置信息来控制机器人头部127的运动。

图13举例说明了当本发明用作一个车辆的定位和导航装置时的一个实施例。在许多工业应用中，自动卡车或者其它种类的机动运输平台被用于在不同的站点间移动物体，例如装配站和储存间。这些工业应用的例子包括造纸业和印刷厂，在那里大卷的纸被运送到自动装载车辆上。图13举例说明了一个具有由驱动和操纵装置132控制的车轮的车辆131，其包括引擎，典型地为电动引擎。平台133被用于装载一个需要运送的物体134。导航车辆导的先有技术的解决方案包括信号线路的结构，如电线，其在地面以下，以及在车辆上用于检测该车辆相对于信号线路的位置的传感器装置。

根据图13的实施例，一个也用于该目的的定位系统包括参照图1～8所介绍的天线135，形成根据图8所描述的方法操作的、用于为多个反射点136确定位置的装置的一部分。天线135由车辆131携带并用于暴露和定位与天线自身相关的多个反射点136。由于该反射点是固定在预定的位置的，该定位过程也用于确定车辆131的位置。该反射点可能如参照图12所描述的那样来设计，并优选地位于顶部137上或接近顶部137的位置并彼此相互间隔，选择每两个反射点之间的间隔以使得天线135的视场角总是覆盖至少两个反射点。在一个实施例中，在车辆131的整个操作范围中，提供反射点以使得相同的反射点将总是被天线135所覆盖。为获得一个更大的操作范围，可能有必要提供多个反射点，以使得该车辆被设计来在覆盖的两个或多个反射点的不同子集中运动。在这样的实施例中，用于驱动和操纵该车辆的系统，包括用于为多个反射点确定位置的装置，该系统必须被设置用于知道当前哪个子集被雷达天线135照亮。达到该目的的一种方法是在每两个相邻的反射点之间使用唯一的间隔。使用以上描述的方法确定该反射点的方向、距离和角度，并且两个暴露的反射点间的距离量度也由此被计算出。比较两个反射点间确定的距离和预先设定的间隔信息，这将唯一地识别是哪两个反射点被暴露了。对于只有两个暴露的反射点的简单情况，天线135实际上只有两个不同的位置，可能给出相同响应的该车辆131也是这样。克服该问题的一种方法是通过仔细的选择间隔，以保证至少三个反射点总是被暴露。克服该问题的另一种方法是在一个用于驱动和操纵该车辆的系统的逻辑滤波器中简单的排出两个位置选项中的一个。该方法可能用于当第二个可能位置与该车辆131所需路径不相关的情况，这时该车辆没有理由出现在第二种可能的位置。

图14举例说明了当本发明用于检测熔炉140中的炉渣表面141时的一个实施例。在转炉、钢包炉、电弧炉和其它冶金容器中，需要知道该炉渣表面141的确切位置，并可选地知道炉渣和下面液态金属分界面143的位置。使用干涉测量法测量该炉渣表面位置的方法，可从如授予本发明的发明人的专利US5,629,706获知。虽然，这个和其它的解决方案基本上是一维的，并且被设计在该炉渣表面141的一点上来测量炉渣表面141和金属表面143的垂直位置。然而，与熔炉中金属熔化区域相关的问题在于不均匀的或者不对称的熔化。图15中示意性地说明了这样一种情况，其中在熔炉140中左面的炉渣表面141和金属表面143实质上高于右边。这将导致在左边的一个热区，其可能导致熔炉壁的严重毁坏，并最终烧穿该熔炉壁。

根据图14和15的实施例，使用一个定位系统监测这样一个不均匀熔料144的潜在发生性，所述系统包括参照图1～8所介绍的天线145，形成根据图8所描述的方法操作的、用于为多个反射点确定位置的装置的一部分。参照图8，在该实施例中体积W为由表面141、143和熔炉壁所确定的炉渣体积142。该定位系统将进行操作以在一个屏幕上为熔炉的操作员显示类似于图6的炉渣表面141的三维表示。也可设置一个用于熔炉的警报系统，以比较该三维表示的位置数据和预定水平值，当比较结果为位置数据超过了水平值时，其被设计来触发一个警报信号。这样做需要计算炉渣表面141在炉壁附近变化的外围的最终值，并且将其与一个预先确定的偏离标准相比较，例如一个给定的厘米数。使用本发明，整个炉渣表面的位置测量可以通过一个单独的固定天线145来完成。

试验设置

可如图16所详细说明的那样设置一个试验以检验该方法。底座160上有许多片状天线元件，与一个开关系统162相连，以使每个天线与一组开关的输入端相连。该开关系统与计算机166相连，以使任何单个的天线都可被选择。该开关系统的输出端与一个接收机163相连，以使任何一个天线可在任何给定时间与该接收机相连。优选地作为一个天线片包含在基座160上，但是为简单起见被作为一个分立的元件说明的一个天线161与发射机164相连。该发射机和接收机为一个网络分析仪165，如威尔顿360BVNA。该网络分析仪在一个频带上步进频率，如在11GHz到12GHz之间分501步，优选地为等间隔步进。对于每个频率步进，当分别对于每个频率上的每个天线元件，该发射信号被接收信号分开时，每个接收机天线被打开并且数据被记录在计算机中。

可选定，也可为每个天线元件提供接收机。所有的接收机必须锁相在一个公共的频率标准上以形成一个相关的干涉系统。然后该数据被同时记录。

然后为每个接收天线将该数据从频率傅立叶变换到时延。到每个天线的数据被相移以解决来自干涉仪光中心的偏移量。然后通过为在每个延迟信道上的每个天线对作复共轭乘法以重建基线。此后，在每个延迟信道上为所有的基线对作二维傅立叶变换以从基线坐标转化到角坐标。新的数据立方将如同心球上的二维角一样包括三维的干涉响应。然后为了更好的显示该数据立方，该坐标系统可转化到笛卡尔坐标系统。

Claims (56)

1.一种使用发射机天线和多个垂直于主视线隔离开来的接收机天线为一个反射点确定在空间中的位置的方法，包括步骤：

-发射干涉电磁波信号到该反射点；

-检测该发射信号与接收机天线从反射点接收的反射信号之间的相位差；

-在一个频带上的多个频率步进中重复发射和接收的步骤；

-根据信号频率，通过测量相位差的变化，确定到反射点的距离(r)；以及

-根据在至少两个接收机天线中从反射点接收反射信号之间的延迟和所述至少两个接收机天线之间的已知间隔，识别从接收机到反射点的视线和主视线之间的角度(，θ)。

2.权利要求1的方法，包括步骤：

-合成所述发射信号和所述接收信号；

-执行所述合成信号的傅立叶变换；以及

-执行检测相位差和确定频域中的延迟的步骤。

3.权利要求1的方法，其中识别角度的步骤包括步骤：

-将在所述至少两个接收机天线中接收的信号合成为一个总接收机信号；

-从该总接收机信号确定在所述至少两个接收机天线中从反射点接收反射信号之间的延迟；以及

-基于所确定的延迟和已知间隔计算所述角度。

4.权利要求3的方法，其中确定接收反射信号之间的延迟的步骤包括步骤：

-确定接收信号之间的相位差。

5.权利要求1的方法，包括步骤：

-检测在至少一个接收机天线中接收的信号的振幅变化；

-将该振幅变化与一个阈值标准相比较；以及

-基于该比较结果识别反射点的存在。

6.权利要求1的方法，包括步骤：

-使用全向发射天线以同时暴露一个多面角；

-确定在所述多面角和该接收机的视场角重叠部分中多个反射点的距离和角度。

7.权利要求1的方法，其中识别角度的步骤包括步骤：

-将在至少两个接收机天线中接收的反射信号合成为总接收机信号；

-选择在至少两个接收机天线之间的延迟，其代表根据已知间隔，到接收机的反射信号的确定的入射角；

-作为在至少两个接收机天线之间的延迟的函数，检测在该总接收机信号中的振幅变化；

-将该振幅变化与一个阈值标准相比较；以及

-基于该比较结果识别一个反射点的存在。

8.权利要求7的方法，包括步骤：

-根据在至少两个接收机天线之间的接收延迟和已知间隔，识别该已识别的反射点的入射角。

9.权利要求6的方法，包括步骤：

-产生所述多个反射点位置的三维表示。

10.权利要求6的方法，包括步骤：

-产生适于所述多个反射点所确定的位置的表面的三维表示。

11.权利要求10的方法，包括步骤：

-对该表面的三维表示积分以确定由该表面所确定的体积。

12.权利要求6的方法，包括步骤：

-将发射信号引导到一个物体；

-检测该物体外表面上反射点反射的接收信号；

-检测穿过该外表面并在物体的外表面以下一个较低反射点反射的接收信号；

-确定该较低的反射点的位置。

13.权利要求12的方法，包括步骤：

-检测穿过该外表面并在物体的该外表面以下多个较低反射点反射的接收信号；

-确定该多个较低的反射点的位置；

-产生一个适于该多个较低反射点的位置的较低表面的三维表示。

14.权利要求13的方法，包括步骤：

-对该较低表面的三维表示积分，以确定由该较低表面确定的体积。

15.权利要求1的方法，包括步骤：

-将该发射机天线也用作所述接收机天线中的一个。

16.前述权利要求1～15中任何一项的方法，用于一个货物监督应用中，包括步骤：

-在一个货运容器的货物空间中放置发射机天线和接收机天线；

-为该货物空间中存在的货物表面上的多个反射点确定位置；

-产生适于所述多个反射点所确定的位置的表面的三维表示；

-提供该三维表示到货物监督系统。

17.权利要求16的方法，包括步骤：

-对紧靠该货物空间侧壁的表面的三维表示积分，以提供该货物的体积表示。

18.权利要求17的方法，包括步骤：

-使用该货物的体积表示和密度值确定该货物的质量。

19.权利要求18的方法，包括步骤：

-为该体积表示计算重心位置；以及

-计算一个倾斜参数，其代表由该货物质量提供的倾斜力。

20.权利要求19的方法，包括步骤：

-将该倾斜参数与一个预定值相比较；以及

-当该倾斜参数超过该预定值时触发一个警报或信息输出。

21.前述权利要求1～15中任何一项的方法，用于地面探测应用中，包括步骤：

-在一个支撑结构上放置该发射机天线和接收机天线；

-升高该支撑结构，并将该发射机天线朝向一个地面区域；

-为当前处于所述地面以下的多个反射点确定位置；

-产生这些反射点的一个三维表示。

22.前述权利要求1～15中任何一项的方法，用于机器人操纵应用中，包括步骤：

-提供一个工业机器人，其具有一个与可动的操纵机械装置相连的固定底座；

-放置与该机器人相连的发射机天线和接收机天线；

-确定由该机器人操作的一个物体上的多个反射点的位置；

-根据该已确定的位置，控制操纵机械装置上的机器人头部的运动。

23.权利要求22的方法，包括步骤：

-与该机器人头部有固定关系地放置该发射机天线和接收机天线。

24.权利要求22的方法，包括步骤：

-与该固定底座有固定关系地放置该发射机天线和接收机天线；

-监控该操纵机械装置的运动以确定机器人头部相对于该固定底座的相对位置；以及

-根据该已确定的位置控制机器人头部的运动并且控制该操纵机械装置的运动。

25.前述权利要求1～15中任何一项的方法，用于一个车辆定位应用中，包括步骤：

-提供一个包含驱动和操纵装置的车辆；

-放置与该车辆相连的发射机天线和接收机天线；

-为该车辆环境中的多个反射点确定位置；

-根据该已确定的位置控制该车辆的驱动和操纵装置。

26.权利要求25的方法，包括步骤：

-确定该反射点位置之间的距离；

-基于到一个相邻反射点的距离识别一个反射点；

-为该已识别的反射点找回真实位置数据；以及

-根据该反射点的真实位置和已确定的反射点相对于天线发射机的位置，确定该车辆的位置。

27.前述权利要求1～15中任何一项的方法，用于监控熔炉中的炉渣表面的应用中，包括步骤：

-提供一个熔炉，包括被具有炉渣表面的炉渣层覆盖的熔料；

-在与熔炉相关的一个已知位置放置发射机天线和接收机天线；

-为该炉渣表面上的多个反射点确定位置；

-提供该炉渣表面的三维表示；

-基于该三维表示监控炉渣表面的形状或者位置。

28.权利要求27的方法，包括步骤：

-在显示器上显示该三维表示的图像。

29.权利要求27的方法，包括步骤：

-将该三维表示的位置数据与一个预定水平值相比较；

-如果该位置数据超过该水平值则触发一个警报信号。

30.一种用于为反射点在空间中确定位置的装置，包括：

-信号发生器，被设计以产生一个确定频率的电磁波信号，

-天线单元，包括一个发射机天线，被设计以发射所产生的干涉电磁波，和多个接收机天线，所述多个接收机天线被与主视线垂直的已知间隔分开并被设计以接收该发射波的反射部分，

-与发射机天线和接收机天线相连的相位比较器装置，

-与该相位比较器装置相连的控制单元，可操作用于从至少两个接收机天线之间的已检测的相位差和所述至少两个接收机天线间的间隔计算到一个反射点的角度，并根据该频率通过已检测的发射机天线和接收机天线之间的相位差计算到该反射点的距离。

31.权利要求30的装置，进一步包括与信号发生器相连的频率步进函数，被设计以在整个频带上以多个频率步进产生波信号，其中控制单元被设计以通过在所述频率步进上发射机天线和接收机天线之间的已检测的相位差变化，计算到该反射点的距离。

32.权利要求30的装置，其中该发射机天线和接收机天线具有一个很大的光束宽度模式，以使产生的干涉电磁波被发射以覆盖整个区域或物体。

33.权利要求32的装置，其中该光束宽度模式表示0～120°的全视场角。

34.权利要求30的装置，进一步包括计算机系统和计算机程序代码装置，当其被执行时使该计算机系统执行权利要求1～29中的任何一项中的步骤。

35.一种用于确定一个实体的体积的系统，包括权利要求32所述的装置，其中该天线单元被放置于距离该实体一定距离处，以便从该天线的位置同时照亮整个实体，其中控制单元被设计以为该物体表面的多个反射点确定位置，并进一步包括用于产生适于所述多个反射点的已确定位置的表面的三维表示的装置，和用于对该表面的三维表示积分以确定由该表面确定的体积的装置。

36.一种用于产生地下特征图像的系统，包括权利要求32所述的装置，其中该天线单元被放置以保持在由起重装置升起的位置上，以便同时照亮一个地表区域，其中该控制单元被设计以确定位于地表以下一个反射点的位置。

37.权利要求36所述的产生地下特征图像的系统，其中该控制单元被设计以确定该地表以下多个反射点的位置，并且进一步包括用于产生所述多个反射点位置的三维表示的装置。

38.一种用于监控货运容器中货物空间的系统，包括权利要求32中所述的装置，其中该天线单元朝向被设计以保存货物的货物空间，其中该控制单元被设计以为货物空间中放置的货物的表面上的多个反射点确定位置，并且进一步包括用于产生适于所述多个反射点的已确定的位置的表面的三维表示的装置，设置控制单元，其被连接以为货物监督系统提供该三维表示。

39.权利要求38所述的用于监控货运容器中货物空间的系统，包括用于对紧靠该货物空间侧壁的表面的三维表示积分的装置，以提供该货物的体积表示。

40.权利要求39所述的用于监控货运容器中货物空间的系统，包括使用该货物的体积表示和密度值确定该货物质量的装置。

41.权利要求40所述的用于监控货运容器中货物空间的系统，包括用于为该体积表示计算重心位置的装置，和用于计算表示由该货运容器中的货物质量提供的倾斜力的倾斜参数的装置。

42.权利要求41所述的用于监控货运容器中货物空间的系统，包括用于将该倾斜参数和一个预定值相比较的装置，和当该倾斜参数超过该预定值时触发一个警报或者信息输出的装置。

43.一种用于监控熔炉中炉渣表面的系统，包括权利要求32所述的装置，其中该天线单元被放置在相对于熔炉的已知位置，并朝向该熔炉内部，其被设计以容纳被一个具有炉渣表面的炉渣层覆盖的熔料，其中该控制单元被设计以为该炉渣表面上的多个反射点确定位置，并进一步包括用于提供该炉渣表面的三维表示的装置。

44.权利要求43所述的用于监控熔炉中炉渣表面的系统，包括用于显示该三维表示的图像的显示器。

45.权利要求43所述的用于监控熔炉中炉渣表面的系统，包括用于将该三维表示的位置数据和预定水平值相比较的装置，和在位置数据超过了水平值时用于触发警报信号的装置。

46.一种操纵具有与可动操纵机械装置相连的固定底座的机器人的系统，包括权利要求32所述的具有与机器人相连的天线单元的装置，其中控制单元被设计以为该机器人操作的物体上的多个反射点确定位置，并被设计根据该已确定的位置控制操纵机械装置的运动。

47.权利要求46所述的用于操纵机器人的系统，其中该天线单元以与该机器人头部具有固定关系地放置。

48.权利要求46所述的用于操纵机器人的系统，其中该天线单元以与该固定底座具有固定关系地放置，并且该控制单元被设计来监控该操纵机械装置的运动，以确定机器人头部相对于该固定底座的相对位置，并根据该已确定的位置控制机器人头部的运动和该操纵机械装置的运动。

49.一种用于定位车辆的系统，包括权利要求32所述的装置，其中该天线单元被携带在该车辆上并且多个反射点被固定在该车辆环境中的预定位置上，所述控制单元被设计以确定与该天线单元相关的所述多个反射点中的至少两个反射点的相对位置，并根据该预定位置计算该车辆的位置和该至少两个反射点的相对位置。

50.权利要求49所述的用于定位车辆的系统，所述车辆包括驱动和操纵装置，其中该控制单元进一步被设计根据该车辆的已确定位置控制该车辆的驱动和操纵装置。

51.权利要求49所述的用于定位车辆的系统，其中该控制单元被设计以确定至少两个反射点位置之间的距离，并基于到一个相邻反射点的距离识别一个反射点，该控制单元进一步被设计以为存储器中已识别的反射点找回预定位置数据。

52.一种天线单元，被设计用于发射一个确定频率的干涉电磁波和接收来自空间中一个位置的反射点的反射信号，包括携带发射机天线、多个接收机天线的支撑结构，该接收机天线以与天线单元的主视线垂直的间隔分离开来。

53.权利要求52所述的天线单元，其中该接收机天线在所述支撑结构的平面上分布，该平面的法线方向确定为主视线。

54.权利要求52所述的天线单元，其中该接收机天线中的一个也是发射机天线。

55.权利要求52所述的天线单元，其中该发射机天线和接收机天线具有一个很大的光束宽度模式，以使产生的干涉电磁波被发射来覆盖整个区域或物体。

56.权利要求55所述的天线单元，其中该很大的光束宽度模式表示0～120°的全视场角。

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