DE102007044015A1 - Verfahren und Einrichtung zur automatischen zerstörungsfreien Inneneinsicht in nichtmetallische geschlossene Behältnisse - Google Patents

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    • G01S13/9021SAR image post-processing techniques
    • G01S13/9027Pattern recognition for feature extraction

Abstract

Zur automatischen zerstörungsfreien Inneneinsicht in nichtmetallische geschlossene Behältnisse wird ein neues radarbasiertes Prüfverfahren vorgesehen. Mit einer nach diesem Verfahren arbeitenden Einrichtung ist es nunmehr möglich, eine berührungslose Durchleuchtung eines geschlossenen Objektes und eine dreidimensionale interaktive Darstellung seines Inhalts ohne gefährliche ionisierende Strahlung vorzunehmen. Nach dem neuen Verfahren wird mit einem FMCW-Radarstrahler im Millimeterwellenbereich, der sich durch eine geringe Sendeleistung und eine hohe Bandbreite auszeichnet, im Reflektionsbetrieb ein zu untersuchendes Behältnis aus verschiedenen Richtungen angestrahlt. Die aus der Reflexion ermittelten Daten werden, unmittelbar einer entsprechenden Signalverarbeitung folgend, angezeigt. Neben einer visuellen Anzeige kann ein automatischer Konturenvergleich einen Alarm auslösen.

Description

  • Eine berührungs- und zerstörungslose Untersuchung bzw. Durchleuchtung des Inneren von geschlossenen Objekten, wie Kisten, Paketen oder Gepäckstücken ist in vielen sicherheitskritischen Bereichen, beispielsweise Flughäfen, Bahnhöfen oder in Zollstationen unverzichtbar. Um beurteilen zu können, ob der Inhalt eines Gepäckstückes gefährliche Objekte wie Waffen oder Sprengstoffe enthält oder sich von Angaben in den Unterlagen unterscheidet, wäre es wünschenswert, die im Gepäckstück enthaltenen Gegenstände bildhaft darzustellen. Als besonders vorteilhaft gilt eine 3-dimensionale Darstellungsweise, weil damit auch ungünstig liegende oder sich gegenseitig verdeckende Objekte zuverlässig identifiziert werden können. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Entdeckung von metallischen Gegenständen zu, von denen ein besonderes Gefährdungspotenzial ausgeht.
  • Nach dem allgemeinen Stand der Technik werden zur Lösung des geschilderten Problems hauptsächlich Metalldetektoren, röntgenbasierte Geräte sowie chemische Sensoren eingesetzt.
  • Dabei ergibt sich bei der Verwendung von Metalldetektoren der Nachteil, dass sie nur die Anwesenheit von Metall anzeigen, aber keine Informationen über physikalische Form oder Größe des verdächtigen Gegenstandes liefern können.
  • Röntgenbasierte Systeme arbeiten typisch auf der Grundlage ionisierender Strahlung im Transmissionsbetrieb, das zu untersuchende Objekt muss sich also zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger befinden. Ein in einer Raumecke stehendes Gepäckstück kann jedoch auf diese Weise nicht untersucht werden. Außerdem senden solche Geräte ionisierende Strahlung aus, die erhebliche Vorsichts- und Schutzmaßnahmen erzwingt. Ein gesundheitsschädliches Risiko für die Bedienmannschaft ist bleibt dennoch wegen z. B. immer möglicher Fehlbedienung oder des Versagens der Schutzvorrichtungen weiter vorhanden.
  • Chemische Sensoren können den Inhalt eines Gepäckstückes ebenfalls nicht darstellen, sie reagieren nur auf die Anwesenheit bestimmter Substanzen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine völlig neuartige Möglichkeit zu einer ungefährlichen automatischen zerstörungsfreien Inneneinsicht in geschlossene Behältnisse zu schaffen.
  • Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren nach Anspruch 1 mit seinen Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 und 3, nach dem eine Einrichtung nach Anspruch 4 und ihrer weiteren Ausbildungen funktioniert, wie sie in den Unteransprüchen 5 und 6 angegeben sind.
  • Das neue radarbasierte Prüfkonzept ermöglicht nunmehr die berührungslose Durchleuchtung eines geschlossenen Objektes und eine 3-dimensionale interaktive Dar stellung seines Inhalts. Die Messung erfolgt im Reflektionsbetrieb, was die Messgeometrie erheblich vereinfacht.
  • Die neue Prüfeinrichtung kann im Vergleich mit dem Stand der Technik kostengünstiger aufgebaut werden, ist leicht transportabel ausführbar und flexibel in der Bedienung bei der Festlegung von Messentfernung und Blickwinkel. Von der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung gehen keinerlei Gesundheitsgefahren aus, es wird also keine Abschirmung oder Schutzkleidung mehr benötigt.
  • Nach dem neuen Verfahren wird mittels einem FMCW-Radarsystem im Millimeterwellenbereich, welches sich durch eine geringe Sendeleistung und eine hohe Bandbreite auszeichnet, das zu untersuchende Behältnis aus verschiedenen Richtungen angestrahlt, die vorzugsweise mittels eines mechanischen Positionierers eingenommen werden, welcher in der Lage ist, mit Hilfe einer 2-Achsigen Verstellung den Radarsensor schnell und genau im Raum zu verschieben.
  • Durch die Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung im Millimeterwellenbereich, viele Materialien wie Stoffe, Holz oder Kunststoff durchdringen zu können, wird das vom Radar ausgesendete Signal an den Gegenständen im Inneren des durchleuchteten Gepäckstücks reflektiert, zurückgestreut und wieder aufgefangen. Wiederholte Messungen aus vielen Blickrichtungen ermöglichen, die räumliche Anordnung aller Streuzentren zu rekonstruieren und grafisch darzustellen. Besonders metallische Objekte, die sehr gut elektromagnetische Wellen reflektieren, können auf diese Weise zuverlässig identifiziert werden.
  • Die ermittelten Daten werden dazu einer Datenverarbeitung zugeführt, die nach dem Prinzip der Synthetischen Apertur (SAR) eine 3-dimensionale Abbildung des vermessenen Raumbereiches mit allen darin befindlichen Gegenständen erzeugt. Neben einer bloßen Anzeige dieser Daten auf einem Monitor ist es nebenher auch möglich, sie nach vorgebbaren Kriterien, wie z. B. eine Gegenstandsform, automatisch beurteilen zu lassen, wonach das Ergebnis neben oder ganz ohne visuelle Darstellung zu einer Alarmierungsausgabe führt.
  • Die Einrichtung nach dem neuen Verfahren, lässt sich selbstverständlich auch mit herkömmlichen Prüfmitteln in der Weise kombinieren, dass gleichzeitig eine z. B. chemische Kontrolle mit ausgeführt wird.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Abbildung im Einzelnen erläutert.
  • Die Prüfeinrichtung sieht einen Radarstrahler 3, einen Positionierer 2 und eine Funktionsstufe zur Signalverarbeitung 4 und eine Anzeige 5 vor. Zur Bedienung und Eingabe von z. B. Schablonenvorgaben als Grundlage zur automatischen Gegenstandssuche kann eine Eingabeschnittstelle 6 angeschlossen sein.
  • Als Emitter und Empfänger für die Radarstrahlung wird ein breitbandiges FMCW-Radar im mmW-Bereich vorgeschlagen, weil sein Frequenzbereich bei einer geringen relativen Bandbreite eine hohe absolute Bandbreite aufweist. Da die Entfernungsauflösung eines Radars in erster Linie von der Bandbreite des Sendesignals abhängt, kann eine von verschiedenen Positionen aus aufgenommene Szene mit einer Auflösung im cm-Bereich abgebildet werden. Dies ist notwendig um auch kleinere Gegenstände erkennen zu können. Durch das bevorzugte FMCW-Prinzip wer den relativ lange Pulse (im Bereich einiger Millisekunden) ausgesendet, wodurch nur eine geringe Sendeleistung aufzuwenden ist. Auf diese Weise bleibt die abgegebene HF-Strahlung für den menschlichen Körper völlig unschädlich.
  • Bei einer geeigneten Auslegung der Signalparameter liegt das zu analysierende Nutzsignal bei relativ niedrigen Frequenzen (idealerweise unter 1 MHz). Dies ist vorteilhaft für die analoge Signalverarbeitung und Digitalisierung der Messdaten. Die komplette Elektronik kann so aus kostengünstigen Komponenten aufgebaut werden. Üblicherweise ist die genaue Linearisierung der Frequenzrampe ein wesentlicher Bestandteil eines FMCW-Radarsystems. Diese Aufgabe wird in vielen Fällen mit Hilfe einer PLL oder durch Einsatz eines digitalen Signalgenerators gelöst. In dem vorliegenden Fall können diese aufwändigen und kostspieligen Verfahren durch eine kostengünstige Software-Lösung im Rahmen der Signalverarbeitung ersetzt werden.
  • Um eine 3-dimensionale Abbildung eines Volumenelements erzeugen zu können, müssen auch die Messdaten in 3 Dimensionen vorliegen. Während die erste Dimension bereits durch die Bandbreite des Radarsystems abgedeckt wird, müssen 2 weitere Dimensionen durch räumliche Abtastung realisiert werden. Praktisch bedeutet das, dass eine Vielzahl von Messungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln durchgeführt werden muss. Hierzu wird ein 2-achsiger Positionier 2 vorgeschlagen, mit dessen Hilfe der Radarstrahler 3 schnell und hochgenau über eine ebene 2-dimensionale Apertur bewegt werden kann. Ein solches System wäre kompakt, transportabel und flexibel bezüglich Abstand zum Messobjekt und Größe des abgebildeten Bereiches. Je nach Einsatzgebiet kann der Messabstand etwa in dem Bereich von 1 bis 10 m liegen. In einer Basiskonfiguration kann ein solcher Positionierer 2 mit nur einem Sensor bestückt werden, für eine Steigerung der Prüfleistung können aber auch mehrere Radarstrahler 3 gleichzeitig verwendet werden.
  • Das analoge Messsignal wird in einer Signalverarbeitungsstufe 4 gefiltert, verstärkt, digitalisiert und danach für die weitere Verarbeitung herkömmlicher Computertechnik zugeführt. Hier werden daraus in einem ersten Schritt Entfernungsprofile, also der Verlauf der Reflektivität der Szene über der Signallaufzeit, berechnet. Da bei einem FMCW-Radarsystem jede Frequenzkomponente einer festen Entfernung zugeordnet ist, wird vorgeschlagen, dies mit Hilfe der Fourier Transformation auszuführen. Um dabei die maximal mögliche Entfernungsauflösung erreichen zu können, muss die ausgesendete Frequenzrampe in Abhängigkeit von der Zeit einen linearen Verlauf aufweisen. Wird dazu ein freischwingender spanungsgesteuerter Oszillator (VCO) als Signalquelle verwendet, kann die Frequenzrampe auch nicht lineare Anteile enthalten und so von der idealen Kennlinie abweichen. Unter der Bedingung, dass die zeitliche Dauer der Frequenzrampe viel größer ist als die Signallaufzeit, was bei Messentfernungen von einigen Metern zutrifft, lassen sich die Nichtlinearitäten im Nachhinein kompensieren. Dazu ist eine Kalibrierung des Systems durch Vermessung eines Referenzreflektors, der in einer definierten Entfernung angebracht ist, durchzuführen. Aus der Messung lässt sich der tatsächliche Frequenzverlauf rekonstruieren und hochaufgelöste Entfernungsprofile erzeugen.
  • Im weiteren Verlauf wird aus den Messdaten eine 3-dimensionale Streuzentrenverteilung des untersuchten Raumbereiches berechnet. Dazu wird das Prinzip der Synthetischen Apertur (SAR) verwendet. Ausführungsgemäß bedeutet das, dass die Messdaten im Computer so zusammen zu setzen sind, als hätte man die Szene mit einer großen fokussierenden Antenne Punkt für Punkt abgetastet. Eine Voraussetzung dazu ist die genaue Kenntnis der Messgeometrie sowie der Bewegungen des Radarstrahlers 3. Für diese SAR-Prozessierung existieren eine Vielzahl von geeigneten Verfahren und Algorithmen, die sich nach Rechenaufwand und Genauigkeit unterscheiden. Wegen der besonders aufwändigen Prozessierung der Daten in dem vorliegenden 3-dimensionalen Fall wird vorgeschlagen, den Polar Reformatting Algorithmus einzusetzen, bei dem die Messdaten durch Interpolation im Frequenzbereich aus einem polaren in ein rechteckiges Raster übertragen werden. Danach liefert eine 3-dimensionale Fourier Transformation sofort das gewünschte Ergebnis. Das gewonnene Ergebnis kann vorzugsweise auf einem Monitor als Ausgabeschnittstelle 5 visuell zur Beurteilung angezeigt werde. Weil bestimmte, als gefährlich eingestufte Gegenstände, schon häufig durch ihre Kontur gekennzeichnet sind, wird zur Unterstützung der nur visuellen Beurteilung des angezeigten Behälterinhalts vorgeschlagen, eine entsprechende Bildverarbeitung mit in den Signalbearbeitungsprozess einzugliedern.
  • Neben der visuellen Einsichtnahme mittels des vorgeschlagenen Radarstrahlers sind natürlich sinnvolle parallele Ergänzungen durch andere Prüfverfahren, wie z. B Sensoren für die Anwesenheit chemischer Stoffe, denkbar. Eine Leistungssteigerung ist durch die Verwendung mehrerer Radarstrahler 3 mit entsprechend erweiterter Signalbearbeitungsstufe 4 erreichbar.
  • 1
    Behältnis
    2
    Positionierer
    3
    Radarstrahler
    4
    Signalverarbeitungsstufe
    5
    Ausgabeschnittstelle
    6
    Eingabeschnittstelle

Claims (8)

  1. Verfahren zur automatischen zerstörungsfreien Inneneinsicht in nichtmetallische geschlossene Behältnisse, bei dem mit mindestens einem Radarstrahler (3) mindestens ein Behältnis (1) beleuchtet wird, der Radarstrahler (3) über eine 2-dimensionale Apertur relativ zum Behältnis (1) verschoben wird, die Strahlantwort einer Signalverarbeitung zugeführt wird, die eine Anzeige des Behälterinhalts ausgibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass mit dem Radarstrahler (3) eine Vielzahl von Messungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln zum Behältnis (1) durchgeführt werden, b) dessen wieder empfangene analoge Messsignale gefiltert, verstärkt, digitalisiert abgespeichert werden, c) in einem ersten Schritt daraus Entfernungsprofile, also der Verlauf der Reflektivität der Szene über der Signallaufzeit, berechnet werden, d) aus den berechneten Messdaten eine 3-dimensionale Streuzentrenverteilung des untersuchten Raumbereiches nach dem Prinzip der Synthetischen Apertur (SAR) mit Hilfe des Polar Reformatting Algorithmus ermittelt wird, bei dem die Frequenzbereichsmessdaten durch Interpolation aus einem polaren in ein rechteckiges Raster übertragen werden, e) auf die Messdaten eine 3-dimensionale Fourier Transformation angewendet wird, f) das Ergebnis ausgegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, durch seine Kombination mit mindestens einem Durchleuchtungsverfahren anderer Technologie.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch, eine automatische Auswertung der Ausgabe nach vorgebbaren Kriterien.
  5. Einrichtung für das Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, mindestens einen Radarstrahler (3) mit Empfangseinrichtung für diese Strahlung, einen 2-Achsigen Positionierer (2), mit dem die Radarstrahlung über eine ebene 2-dimensionale Apertur, relativ zum Behältnis, bewegt werden kann, eine Signalverarbeitungsstufe (4) mit angeschlossener Ausgabeschnittstelle (5) für ein analoges Messsignal, eine Eingabeschnittstelle (6).
  6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch, mindestens ein FMCW-Radar mit Empfangseinrichtung für diese Strahlung, ausgelegt für den Betrieb im breitbandigen mmW-Bereich.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch, einen Signalverarbeitungsstufe (4) mit Filter für das analoge Messsignal, Signalverstärker, Digitalisierer, Signalspeicher eine Rechenstufe und eine Ein- und Ausgabeschnittstelle (5, 6).
  8. Verwenden einer Einrichtung nach Anspruch 5, zur Gepäckkontrolle.
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