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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum ortsaufgelösten
Erfassen und Rekonstruieren von Objekten mittels Mikrowellen. Hierbei
wird wenigstens ein zu erfassendes Objekt mit Mikrowellen beaufschlagt,
die von einer Vielzahl von Mikrowellenantennen ausgesendet werden und
von dem Objekt zumindest teilweise reflektiert werden. Diese reflektierten
Mikrowellenanteile werden von den Mikrowellenantenneneinheiten detektiert
und in auswertbare Mikrowellensignale umgewandelt, auf deren Grundlage
eine Auswertung zur ortsaufgelösten
Objekterfassung erfolgt. Eine derartige Untersuchungstechnik ist bevorzugt
geeignet für Sicherheitsüberprüfungen bspw.
an Personen bei Grenzübertritten.
So ist es mit Hilfe der Mikrowellentechnik möglich Personen auf versteckte
Gegenstände
wie Waffen, Sprengstoffe usw. zu überprüfen.
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Stand der Technik
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In
der heutigen globalen Welt gewinnen Sicherheitsaspekte immer mehr
an Bedeutung. Die am meisten verbreiteten Sicherheitssysteme zur Überprüfung von
Gepäckstücken, Fracht,
oder Personen, wie sie z. B. in Flughäfen und Bahnhöfen eingesetzt werden,
benutzen Röntgenstrahlung
zum Auffinden von gefährlichen
Gegenständen
und Substanzen. Derartige Untersuchungen basieren in der Regel auf dem
einfachen Durchstrahlungsprinzip, bei dem sich Materialien unterschiedlicher
Dichte im Röntgen-Projektionsbild
kontrastspezifisch unterscheiden.
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Ein
alternatives Verfahren besteht im Einsatz von elektromagnetischen
Wellen des so genannten Mikrowellenbereiches, d. h. elektromagnetische
Wellen im Frequenzbereich von 300 MHz bis 200 GHz. Hierbei treffen
Mikrowellenfelder auf einen zu untersuchenden Gegenstand, auf eine
Substanz oder eine Person, d. h. allgemein auf ein Objekt und werden objektspezifisch
an diesem reflektiert. Allerdings ist das Auflösungsvermögen eines konventionellen Mikrowellenverfahrens
durch eine relativ große
Wellenlänge
begrenzt, doch kann dieser Nachteil durch Anwendung tomografischer
Mess- und Rekonstruktionsprinzipien überwunden werden, die eine
Objektrekonstruktion mit einer räumlichen
Auflösung
unter Umständen
sogar über
die Grenze der Wellenlänge hinaus
gestatten.
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Die
Vorteile eines derartigen Mikrowellenverfahrens, kurz MW-Verfahren,
liegen gegenüber
dem weit verbreiteten Röntgenverfahren
auf der Hand. Zum einen kommt keine ionisierende Strahlung zum Einsatz,
zum anderen ermöglicht
die bildgebende Objektrekonstruktion im Wege tomographischer Auswertetechniken
räumliche
Informationen über
die zu untersuchenden Objekte zu gewinnen.
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Die
bisher bekannten und auf dem Markt erhältlichen MW-Systeme tasten
in der Regel das Objekt mit Sensorreihen ab, die an einem sich bewegenden
Portal befestig sind. Durch die Abtastung wird eine synthetische
Apertur realisiertt, die eine räumliche
Fokussierung im Volumen gestattet.
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Allerdings
sind derartige Vorrichtungen mechanisch äußerst anspruchsvoll und kostenaufwendig
zu realisieren. Die Untersuchung ist zudem mit einem erheblichen
Zeitaufwand verbunden, weswegen die praktische Einsetzbarkeit derartiger
Systeme insbesondere an stark frequentierten Überprüfungsbereichen, wie bspw. an
Flughafenkontrollschleusen, verbesserungsbedürftig erscheint. Darüber hinaus muss
das Objekt bei der Untersuchung bewegungslos bleiben, eine Bedingung,
der vor allem bei der Untersuchung von Personen nicht oder nur unter
größeren Schwierigkeiten
nachgekommen werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie auch eine
Vorrichtung zum ortsaufgelösten
Erfassen und Rekonstruieren von Objekten mittels Mikrowellen, bei
dem wenigstens ein zu erfassendes Objekt mit Mikrowellen beaufschlagt
wird, die von einer Vielzahl von Mikrowellenantennen erzeugt werden,
und von dem Objekt reflektierte Mikrowellenanteile detektiert und
in auswertbare Mikrowellensignale umgewandelt werden, auf deren
Grundlage eine Auswertung zur ortsaufgelösten Objekterfassung erfolgt,
derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Analysegenauigkeit,
mit der eine Objektbestimmung sowohl im Lichte einer stofflichen
oder gegenständlichen
Objektbestimmung als auch im Lichte einer räumlichen Ortung vorgenommen
werden kann, ermöglicht
wird und dies unter einem geringeren konstruktiven sowie auch kostenrelevanten
Aufwand als es bei bisher bekannten MW-Verfahren der Fall ist.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Gegenstand des Anspruches 17 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken
vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie
der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die
Ausführungsbeispiele,
zu entnehmen.
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Das
lösungsgemäße Verfahren
zum ortsaufgelösten
Erfassen und Rekonstruieren von Objekten mittels Mikrowellen zeichnet
sich dadurch aus, dass das Erzeugen und das Detektieren der Mikrowellen
in der nachfolgenden Weise erfolgen:
Zunächst werden n Mikrowellenantenneneinheiten
in einer räumlichen
Verteilung um das zu erfassende Objekt angeordnet beispielsweise
an einem dreidimensionalen Rahmengestell, an dem die einzelnen Mikrowellenantenneneinheiten
mit einem festen Abstand zueinander räumlich fixiert sind. Der Abstand zwischen
jeweils zwei unmittelbar benachbarten Mikrowellenantenneneinheiten
sollte in etwa gleich sein und kann durchaus größer bzw. recht viel größer als die
Wellenlänge
der Mikrowellen sein, die von den Mikrowellenantenneneinheiten erzeugt
werden. Die räumliche
Anbringung der einzelnen Mikrowellenantenneneinheiten erfolgt mit
Bedacht auf die Richtcharakteristik der einzelnen Mikrowellenantenneneinheiten
und sollte dabei derart vorgenommen werden, dass ein zu untersuchender
Körper
bzw. ein zu untersuchendes Objekt in seiner Gesamtheit zumindest durch
die Zusammenschau der Richtcharakteristiken aller Mikrowellenantenneneinheiten
erfasst wird. Je nach Größe und Form
der üblicherweise
zu untersuchenden Objekte sind die Anzahl und die räumlicher Verteilung
der Mikrowellenantenneneinheiten zu wählen.
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In
einem ersten Messtakt wird eine erste Mikrowellenantenneneinheit
ausgewählt
und zum Aussenden von Mikrowellen aktiviert. Die auf das zu untersuchende
Objekt auftreffenden Mirkowellen werden an diesem zumindest teilweise
reflektiert und von m Mikrowellenantenneneinheiten empfangen, mit
m ≤ n, wobei
vorzugsweise m = n ist, d. h. sämtliche
vorhandene Mikrowellenantenneneinheiten vermögen die am Objekt reflektierten
oder durch das Objekt abgelenkten Mikrowellen, die von der ersten
Mikrowellenantenneneinheit ausgesendet worden sind, zu empfangen
und in entsprechende Mikrowellensignale umzuwandeln, die im weiteren
zunächst
ab- oder zwischengespeichert werden. Im Weiteren wird eine andere
Mikrowellenantenneneinheit ausgewählt und zum Aussenden von Mikrowellen
aktiviert. Gleichfalls erfolgt auch in diesem Fall die Detektion
der an dem Objekt reflektierten oder durch das Objekt abgelenkten
Mikrowellen vorzugsweise durch die Gesamtheit aller vorhandener
Mikrowellenantenneneinheiten sowie die Umwandlung in Mikrowellensignale,
die für eine
nachfolgende Auswertung zunächst
abgespeichert werden.
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Der
vorstehende Vorgang bezüglich
des Aussendens von Mikrowellen von einer einzigen ausgewählten Mikrowellenantenneneinheit
und Empfangens von am Objekt reflektierten Mikrowellen von allen
Mikrowellenantenneneinheiten sowie des Abspeicherns der generierten
Mikrowellensignale wird Taktweise für sämtliche Mikrowellenantenneneinheiten als
Sendequelle wiederholt und auf der Grundlage von allen auf diese
Weise gewonnenen und abgespeicherten Mikrowellensignalen wird letztlich
unter Verwendung eines geeigneten Rekonstruktionsalgorithmus das
Objekt rekonstruiert.
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Die
vorstehende Verfahrensweise setzt voraus, dass die eingesetzten
Mikrowellenantenneneinheiten sowohl in der Lage sind Mikrowellen
auszusenden sowie auch zu empfangen. In besonders vorteilhafter
Weise weist jede einzelne Mikrowellenantenneneinheit zwei Antennen
auf, die sich in ihren Polarisationseigenschaften voneinander unterscheiden.
Jede der beiden Antennen vermögen
Mikrowellen sowohl auszusenden als auch zu empfangen. Es ist erkannt
worden, dass eine merkliche Verbesserung in der Informationsdichte
und damit verbunden in der Zuverlässigkeit Objektinterpretationen
vornehmen zu können, über ein
zu erfassendes Objekt dadurch erreicht werden kann, wenn pro Messtakt
beide Antennen pro Mikrowellenantenneneinheit Mikrowellen mit jeweils
unterschiedlicher Polarisation ausgesendet werden und von beiden
Antennen sämtlicher
Mikrowellenantenneneinheiten empfangen und entsprechend abgespeichert
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die beiden Antennen pro Mikrowellenantenneneinheit horizontal
und vertikal polarisiert und vermögen somit vertikal bzw. horizontal
polarisierte Mikrowellen auszusenden sowie auch unter vertikaler
oder horizontaler Polarisationsebene Mirkowellen zu detektieren.
Für einen
Messtakt bedeutet dies, dass beispielsweise in zeitlicher Abfolge
zuerst vertikal polarisierte Mikrowellen ausgesendet werden, die
von sämtlichen Mikrowellenantenneneinheiten
jeweils vermittels der vertikal polarisierten Antenne und der horizontal
polarisierten Antenne empfangen werden. Im Anschluss daran erfolgt
das Aussenden horizontal polarisierter Mikrowellen, die gleichfalls
von allen Antennen aller Mikrowellenantenneneinheiten empfangen
werden. Dabei spielt es grundsätzlich
keine Rolle, ob das Aussenden von vertikal und horizontal polarisierter
Mikrowellen von einer ausgewählten
Mikrowellenantenneneinheit in zeitlicher Abfolge oder gleichzeitig
d. h. simultan erfolgt.
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Durch
den Einsatz von unterschiedlichen Polarisationen ergibt sich somit
ein vierfacher Informationsinhalt, da sich folgende Polarisationskombinationen
für jede
Mikrowellenantenneneinheit ergeben: H×H, H×V, V×H, V×V, hierbei steht „H“ für horizontal polarisiert
und „V“ für vertikal
polarisiert. Dies gestattet, die Qualität von Objektrekonstruktionen
bspw. in Form von Mikrowellenbildern wesentlich zu erhöhen.
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Eine
eingehende Beschreibung der Mikrowellensignalauswertung erfolgt
unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Diagrammen
und Skizzen.
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Für eine lösungsgemäße Umsetzung
des vorstehend erläuterten
Mikrowellenmessverfahrens bedarf es einer Vorrichtung, die sich
durch folgende Merkmale auszeichnet: So ist ein Vielzahl n Mikrowellenantenneneinheiten
in räumlicher
Anordnung um ein zu erfassendes Objekt angeordnet, von denen jede
Mikrowellenantenneneinheit zwei Sende-/Empfangsantennen mit jeweils
unterschiedlicher Polarisation aufweist. Eine Steuereinheit ist
vorgesehen, um eine zeitliche Abfolge zur Aktivierung der n Mikrowellenantenneneinheiten
vorzunehmen, wobei eine HF-Generatoreinheit mit den n Mikrowellenantenneneinheiten
in Verbindung steht, um die zum Aussenden von Mikrowellen erforderliche
HF-Leistung bereitzustellen. Zur Mikrowellensignalauswertung ist
eine Datenaufnahmeeinheit mit den n Mikrowellenantenneneinheiten
verbunden, in der die pro Mikrowellenantenneneinheit generierten
Mikrowellensignale zunächst
abgespeichert und Rahmen eines Rekonstruktionsmodul ausgewertet
werden. Letztlich werden die ermittelten Ergebnisse auf einer Ausgabeeinheit
visuell, vorzugsweise auf einem Monitor, dargestellt.
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Die
räumliche
Anordnung der n Mikrowellenantenneneinheiten, bspw. in einem feststehenden Rahmen
erfolgt vorzugsweise mit gleich verteilten Abständen zu jeweils benachbarten
Mikrowellenantenneneinheiten, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten
Mikrowellenantenneneinheiten größer als
die Wellenlänge
der Mikrometerwelle ist, vorzugsweise größer 10 cm, um auf diese Weise
die Anzahl der Mikrowellenantenneneinheiten und den damit verbundenen
Datenumfang überschaubar
klein zu halten. Weitere die lösungsgemäße Vorrichtung
vorteilhaft ausgestaltende Merkmale werden unter Bezugnahme auf
die nachstehenden Figuren näher
erläutert.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
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1 Schematisierte
Darstellung der lösungsgemäßen Vorrichtung,
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2 Darstellung von gewonnenen Mikrowellensignalen
an Hand von Informationsmatrizen,
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3 Illustration
einer räumlichen
Anordnung von Mikrowellenantenneneinheiten zur Personenüberprüfung,
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4 Darstellung
eines Mikrowellensignals in der Frequenzdomäne,
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5 Darstellung
des Berechnungsprinzips für
eine „Look-Up“-Tabelle
und
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6 Darstellung
zur Nutzung einer Objektbewegung während einer Objektuntersuchung.
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Wege
zur Ausführung
der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit In 1 ist eine
mögliche Ausführungsform
zur Realisierung einer Mikrowellenantennenanordnung gezeigt, mit
der eine verbesserte Objekterfassung und -erkennung möglich ist.
Die technische Lösung
beruht auf einem neuen messtechnischen Ansatz eines so genannten
getakteten Gruppenstrahlers mit verteilter Apertur in Kombination
mit neuartigem Schaltschema von einzelnen Antennen zwecks schneller
und exakter Vermessung von Zeitsignalen sowie einer speziellen Signalverarbeitung
und Bildrekonstruktionstechnik.
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Die
Mikrowellenantennenanordnung besteht grundsätzlich aus folgenden Modulen:
Eine
Vielzahl n einzelner Mikrowellenantenneneinheiten 1, die
jeweils zwei Sender/Empfänger-Antennen
mit jeweils unterschiedlichen Polarisationen aufweisen, vorzugsweise
mit horizontaler und vertikaler Polarisation, im Weiteren werden
hierfür
die Bezugszeichen AiH und AiV, mit i = 1...n verwendet. Eine Steuereinheit 2 sorgt
für eine
zeitliche Steuerung bzw. Umschaltung der einzelnen Antennen AiV,
AiH vom Sende in den Empfangsmode. Zum Umschalten sind hierzu eigens
Schalter S an jeder Antenne AiH und AiV vorgesehen. Ein HF-Generator 3 stellt
die für die
Mikrowellenerzeugung erforderliche HF-Energie zur Verfügung, wobei
das von dem HF-Generator 3 abgegebene Sendesignal zur Aktivierung
der einzelnen Antennen AiV, AiH frequenzmoduliert ist und mittels
eines Leistungsverteilers 4 verstärkt und auf die jeweilige Senderantenne
AiV, AiH geleitet wird.
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Die
von den einzelnen, als Empfangsantennen dienenden Antenneneinheiten
AiV, AiH detektierten Mikrowellen werden in analoge Mikrowellensignale
umgewandelt und vor der Digitalisierung mit dem Sendesignal, das
als Referenzsignal dient, mittels eines Mischers 5 gemischt.
Hierbei gilt es darauf zu achten, dass die Wellenleiterabschnitte
(6 + 8) und (7 + 9 + 10),
die für
eine verlustfreie Übertragung
von HF-Signalen ausgelegt sind, über
die gleiche Länge verfügen, was
für die
zeitliche Abstimmung bei der Vermischung von Signalen von besonderer
Bedeutung ist.
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Eine
mehrkanalige Datenaufnahmeelektronik 11 sorgt für eine Analog/Digital-Wandlung der gemischten
Mikrowellensignale und Abspeicherung der Signale für eine nachfolgende
Datenauswertung im Rahmen eines Rekonstruktionsmoduls 12,
das auf Basis paralleler Rechnerstrukturen arbeitet und eine Bildrekonstruktion
eines erfassten Objektes unter Echtzeit-Bedingungen im Rahmen einer
3D-Bildgebung ermöglicht.
Schließlich
werden die Auswertergebnisse mittels einer Visualisierungseinheit 13 dargestellt.
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Beim
Betrieb der in 1 gezeigten Vorrichtung wird
pro Messtakt immer eine Antenneneinheit 1 als Sender eingesetzt,
wobei alle n Antenneneinheiten 1 während des gesamten Sendevorganges
die Empfangssignale aufnehmen. Die zeitliche Steuerung der Sendevorgänge von
verschiedenen Antenneeinheiten 1 erfolgt durch die Steuereinheit 2.
Jede Antenneneinheit 1 ist pro Messtakt an zwei Sendetakten
als Sender beteiligt, sodass elektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen
Polarisationen (horizontal H und vertikal V) ausgestrahlt werden.
Die aufgenommenen Mikrowellensignale werden in Form von Zeitsignalen
abgespeichert, insgesamt fallen nach Aktivierung sämtlicher
Antenneneinheiten 4 × N × N Signaldaten
an, die in 2 näher erläutert sind.
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In 2a sei angenommen, dass n = 12 Antenneneinheiten 1 um
ein zu erfassendes Objekt O angeordnet sind. Hierbei weist jede
einzelne Antenneneinheit 1 zwei Sende-/Empfangsantennen
mit horizontaler AiH und vertikaler AiV Polarisation auf, mit i
= 1, ... 12. Die 2a erläutert das
Messprinzip anhand einer 2-dimensionalen Schnittebene, wobei dieses
Beispiel auf den 3-dimensionalen Fall erweiterbar ist.
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Im
Rahmen eines Messzyklus werden alle Antennen nacheinander „durchgetaktet“, sodass
die in den 2 b bis e dargestellten
Informationsmatrizen komplett mit empfangenen Mikrowellensignalen in
der folgenden Weise aufgefüllt
werden:
Der Inhalt einer jeden Informationsmatrix ist wie folgt zu
verstehen: jedes Element einer Matrix A hat zwei Indizes, bestehend
jeweils aus einer Nummer und einem Buchstaben V oder H. Der erste
Index entspricht der jeweiligen Sendeantenne, der zweite der jeweiligen
Empfangsantenne. V oder H entspricht der eingesetzten Polarisation
beim Senden bzw. beim Empfangen. Durch den Einsatz von unterschiedlichen
Polarisationen ergibt sich ein vierfacher Informationsinhalt, da
sich folgende Polarisationskombinationen für jedes Sender/Empfänger-Paar
ergeben: H×H,
H×V, V×H, V×V. Dies
gestattet, die Qualität
von MW-Bildern wesentlich zu erhöhen.
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Beispielsweise
stellt die Informationsmatrix im Fall 2b jenen Fall dar,
bei dem die Mikrowellen mit vertikaler Polarisation ausgesandt wurden
und der Empfang mit den vertikal polarisierten Empfangsantennen
erfolgte. So bedeutet bspw. der Matrixinhalt „A12V6V“, ein Messsignal, das durch
Aussenden von der Antenne 12 in Form von vertikal polarisierten
Mikrowellen und durch Empfang von der Antenne 6 unter vertikaler
Polarisation hervorgeht.
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In
der Informationsmatrix in 2c ist der Fall
dargestellt bei der die Sendepolarisation – horizontal und die Empfängerpolarisation – horizontal sind.
In der Informationsmatrix in 2d ist
der Fall dargestellt bei der die Sendepolarisation – horizontal und
die Empfängerpolarisation – vertikal
sind. In der Informationsmatrix in 2e ist
der Fall dargestellt bei der die Senderpolarisation – vertikal
und die Empfängerpolarisation – horizontal
sind.
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3 zeigt
eine Messsituation zur Erfassung einer Person P mittels räumlich um
die Person angeordneten Mikrowellenantenneneinheiten 1.
In der gezeigten Anordnung werden die MW-Antennen 1 dreidimensional
im Raum verteilt bspw. an oder in einer Kammer fest installiert.
In der Bilddarstellung ist diese Anordnung zwecks Vereinfachung
lediglich in einem 2D-Schnittbild schematisch dargestellt. Die Richtcharakteristik
der MW-Antennen 1 und Ihre räumliche Ausrichtung sind so
ausgelegt, dass der zu rekonstruierende Bereich von der Richtcharakteristik aller
MW-Antenne 1 in ihrer Zusammenschau komplett abgedeckt
wird.
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Ein
hervorzuhebendes Merkmal der neuartigen Vorrichtung gegenüber bekannten
MW-Systemen betrifft die Verteilung der MW-Antennen 1 im Raum
um das zu untersuchende Objekt mit möglichst großen Abständen zwischen den einzelnen
MW-Antennen 1.
Die Anzahl der MW-Antennen 1 sollte zudem so niedrig wie
möglich
bleiben, um die zu verarbeitenden Datenmengen möglichst zu reduzieren. Dieser
Abstand zwischen zwei benachbarten MW-Antennen 1 kann wesentlich
größer sein als
die Wellenlänge
der Mikrowellen, die von den einzelnen MW-Antennen 1 abgestrahlt
werden, wodurch das „Sampling“-Theorem
bewusst verletzt wird. Dies ist möglich durch eine geeignete
synthetische Fokussierung auf jeden Bild-, bzw. Raumpunkt, wodurch
störende
Beugungsphänomene
einer verteilten Apertur unterdrückt
werden. Dieses Rekonstruktionsprinzip wird im Weiteren erläutert.
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Für eine zielführende Datenauswertung
der empfangenen Mikrowellensignale bedarf es neben der vorstehend
beschriebenen Datenbevorratung einer geeigneten Vorbehandlung der
Messsignale in der nachfolgenden Weise.
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Die
Messsignale werden zunächst
als Zeitsignale abgespeichert, d. h. Amplitudenwerte aufgetragen
längs zur
Zeitachse. Betrachtet wird der Fall, wenn die gleiche Antenne als
Sender und als Empfänger
dient. Es werden frequenzmodulierte Signale im GHz- Bereich, d.
h. Frequenzen je nach Anwendung von 10 bis 200 GHz, ausgestrahlt.
Befinden sich zwei Objekte in unterschiedlicher Entfernung von der
Antenne, so wird die ausgestrahlte Welle von diesen Objekten zumindest
teilweise reflektiert und am Ort der Antenne empfangen. Durch Vermischen des
zurückkommenden
Signals mit dem Referenzsignal, d. h. dem Sendesignal, ergibt sich
ein neues Signal in Form eines Summensignals. Stellt man dieses
Signal in der Frequenzdomäne
dar, so werden die in unterschiedlicher Entfernung liegenden Objekte
durch unterschiedliche Frequenzwerte repräsentiert, wie dies aus der
Diagrammdarstellung in 4 zu entnehmen ist. Längs der
Abszisse sind hier Frequenzwerte f, längs der Ordinate Amplitudenwerte
A eines empfangenen Mikrowellensignals dargestellt. Aus dieser Frequenzdarstellung
lässt sich
ersehen, dass der Frequenzpeak bei der Frequenz f1 von einem Objekt
1 herrührt,
das näher
zur Empfangsantenne platziert ist als das Objekt 2, das durch den Frequenzpeak
bei der Frequenz f2 mit f2 > f1
dargestellt wird. So sind die jeweiligen „Frequenzkoordinaten“ in den
gespeicherten Summensignalen direkt proportional zum Abstand eines
Objektes, das als Reflektor für
die Mikrowellen dient, von der Antenne. Damit können die Objekte direkt geortet
werden. Das gleiche gilt, wenn die Positionen von Sender und Empfänger nicht
gleich sind. Dies ermöglicht
die Rekonstruktion von 2- und 3-dimensionalen Bildern.
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Das
Rekonstruktionsprinzip wird im Weiteren unter Bezugnahme auf 5 anhand
einer 2D-Skizze erläutert,
wobei der 2-D-Fall ohne Weiteres auf eine 3D-Rekonstruktion erweitert werden kann.
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Der
Rekonstruktionsbereich, hier ein Kreisbereich, wird in kleine räumliche
Cluster oder Einheitsraumbereiche aufgeteilt, wobei die Clusterabmessungen
typischerweise nach der maximaler möglichen physikalischen Auflösung ausgewählt werden
sollten, d. h. abhängig
von der Arbeitsfrequenz. Vor der eigentlichen Rekonstruktion wird
eine „Look-Up“-Tabelle
berechnet, die die Abstände
von jeder Antenne 1 zu jedem Einheitsraumbereich, auch Voxel
genannt, 14 innerhalb des Rekonstruktionsbereiches beinhaltet.
Für jeden
Voxel 14 des Rekonstruktionsbereiches werden n Werte gespeichert,
die der räumlichen
Entfernung von jeder der n Antennen 1 zu diesem Voxel 14 entsprechen.
Durch entsprechende Kombination dieser Werte können Wellenlaufwege für alle Kombinationen
von Sendern und Empfängern
berechnet werden.
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Die
Rekonstruktion erfolgt nun anhand der so erstellten „Look-Up“-Tabellen.
Die gespeicherten Signalwerte werden unter Berücksichtigung von Laufwegen
nach dem tomografischen Prinzip räumlich aufaddiert, sodass sich
die Signalmaxima von verschiedenen Signalen in entsprechenden Voxel überlagern.
Die Nutzung von „Look-Up“-Tabellen
erspart somit eine zeitaufwendige, sich wiederholende Berechnung
von Laufwegen während
der Rekonstruktion und beschränkt
die Rekonstruktionsmathematik auf einfaches Summieren von Amplitudenwerten.
Das lohnt sich insbesondere beim Einsatz von Rekonstruktionsmodulen
mit parallelen Rechnerstrukturen, die eine besonders effektive Verteilung von
Additionsoperationen gestatten.
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Die
vorstehend skizzierte Rekonstruktion erfolgt im entsprechenden Rekonstruktionsmodul
gemäß der Bilddarstellung
in 1 vorzugsweise unter Einsatz paralleler Rechnerstrukturen,
der eine Echtzeit-Berechnung von 3-dimensionalen Bildern u. a. auch von
sich bewegenden Objekten gestattet. Diese Bilder werden schließlich durch
eine Visualisierungseinheit, z. B. Monitoreinheit, dargestellt.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens dient einer Verbesserung
der Bildrekonstruktion bzw. zur Erhöhung des Informationsinhaltes des
Mikrowellenverfahrens mit verteilten Aperturen und betrifft ist
die Nutzung der Objektbewegung zwecks seiner Abtastung gemäß der Bilddarstellung in 6.
Bewegt sich ein Objekt O in einem von Antennen 1 erfassten
Raumbereich, bspw. von rechts nach links gemäß der drei gezeigten Sequenzbilddarstellungen
in 6, so wird as Objekt O in festen Zeitabständen mittels
Mikrowellen geortet. Die Rekonstruktionsergebnisse des Objektbildes
werden in verschiedenen Zeitpunkten überlagert, sodass die Qualität der Abbildung
mit jeder Iteration verbessert wird.
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- 1
- MW-Antenneneinheiten
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Generator
- 4
- Leistungsverteiler
- 5
- Mischer
- 6,
7,
- Wellenleiter
- 8,
9,
- Wellenleiter
- 10
- Wellenleiter
- 11
- Mehrkanalige
Datenaufnahmeelektronik
- 12
- Rekonstruktionsmodul
mit parallelen Rechnerstrukturen
- 13
- Visualisierungseinheit
- 14
- Voxel