DE102007055217A1

DE102007055217A1 - Verfahren und Vorrichtung zum ortsaufgelösten Erfassen und Rekonstruieren von Objekten mittels Mikrowellen

Info

Publication number: DE102007055217A1
Application number: DE102007055217A
Authority: DE
Inventors: Michael Prof. Dr. Kröning; Andrey Dr. Bulavinov; Roman Dr. Pinchuk
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: WO2009065369A1; US20110050480A1; DE102007055217B4; KR20100101108A; CA2705974A1; CN101910865A; US8248293B2; EP2217943A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie 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. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Erzeugen und das Detektieren der Mikrowellen in der nachfolgenden Weise erfolgen: a) Vorsehen von n Mikrowellenantenneneinheiten in räumlicher Verteilung um das zu erfassende Objekt, b) Auswählen und Aktivieren einer ersten Mikrowellenantenneneinheit zum Aussenden von Mikrowellen, c) Empfangen der am Objekt reflektierten Mikrowellen mit m Mikrowellenantenneneinheiten, mit m <= n, und Generieren von Mikrowellensignalen, d) Abspeichern der Mikrowellensignale, e) Auswählen und Aktivieren einer anderen Mikrowellenantenneneinheit zum Aussenden von Mikrowellen und Durchführen der Verfahrensschritte c) und d), f) Wiederholtes Ausführen des Verfahrensschrittes e) mit jeweils der Auswahl einer weiteren Mikrowellenantenneneinheit unter der Maßgabe, dass sich die weitere Mikrowellenantenneneinheit von einer bereits ausgewählten Mikrowellenantenneneinheit unterscheidet, und g) Auswerten der abgespeicherten Mikrowellensignale.

Description

Technisches Gebiet
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.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
Darstellung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine eingehende Beschreibung der Mikrowellensignalauswertung erfolgt unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Diagrammen und Skizzen.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Schematisierte Darstellung der lösungsgemäßen Vorrichtung,
2 Darstellung von gewonnenen Mikrowellensignalen an Hand von Informationsmatrizen,
3 Illustration einer räumlichen Anordnung von Mikrowellenantenneneinheiten zur Personenüberprüfung,
4 Darstellung eines Mikrowellensignals in der Frequenzdomäne,
5 Darstellung des Berechnungsprinzips für eine „Look-Up“-Tabelle und
6 Darstellung zur Nutzung einer Objektbewegung während einer Objektuntersuchung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Für eine zielführende Datenauswertung der empfangenen Mikrowellensignale bedarf es neben der vorstehend beschriebenen Datenbevorratung einer geeigneten Vorbehandlung der Messsignale in der nachfolgenden Weise.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

Claims

Verfahren 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen und das Detektieren der Mikrowellen in der nachfolgenden Weise erfolgen: a) Vorsehen von n Mikrowellenantenneneinheiten in räumlicher Verteilung um das zu erfassende Objekt, b) Auswählen und Aktivieren einer ersten Mikrowellenantenneneinheit zum Aussenden von Mikrowellen, c) Empfangen der am Objekt reflektierten Mikrowellen mit m Mikrowellenantenneneinheiten, mit m ≤ n, und Generieren von Mikrowellensignalen, d) Abspeichern der Mikrowellensignale, e) Auswählen und Aktivieren einer anderen Mikrowellenantenneneinheit zum Aussenden von Mikrowellen und Durchführen der Verfahrensschritte c) und d), f) Wiederholtes Ausführen des Verfahrensschrittes e) mit jeweils der Auswahl einer weiteren Mikrowellenantenneneinheit unter der Maßgabe, dass sich die weitere Mikrowellenantenneneinheit von einer bereits ausgewählten Mikrowellenantenneneinheit unterscheidet, und g) Auswerten der abgespeicherten Mikrowellensignale.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aktivieren jeder einzelnen Mikrowellenantenneneinheit ein gleichzeitiges Aussenden oder ein in zeitlicher Abfolge erfolgendes Aussenden von Mikrowellen mit jeweils unterschiedlicher Polarisation durchgeführt wird, und dass das Empfangen der Mikrowellen selektiv nach der Polarisation durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenantenneneinheiten bei jeweiliger Aktivierung jeweils vertikal und horizontal polarisierte Mikrowellen aussenden und dass die Mikrowellenantenneneinheiten Mikrowellen selektiv nach vertikaler und horizontaler Polarisation detektieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abspeichern der Mikrowellensignale in der folgenden Weise erfolgt: – pro Aktivieren einer Mikrowellenantenneneinheit zum Aussenden horizontal polarisierter Mikrowellen werden zwei Mikrowellensignale abgespeichert, nämlich ein Mikrowellensignal aufgenommen im horizontal polarisierten Detektionsmode und ein weiteres Mikrowellensignal aufgenommen im vertikal polarisierten Detektionsmode der Mikrowellenantenneneinheit und – pro Aktivieren einer Mikrowellenantenneneinheit zum Aussenden vertikal polarisierter Mikrowelle werden zwei Mikrowellensignale pro Mikrowellenantenneneinheit abgespeichert, nämlich ein Mikrowellensignal aufgenommen im horizontal polarisierten Detektionsmode und ein weiteres Mikrowellensignal aufgenommen im vertikal polarisierten Detektionsmode der Mikrowellenantenneneinheit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen frequenzmoduliert ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abspeichern der Mikrowellensignale eine Signalmischung des jeweils abzuspeichernden Mikrowellensignals mit einem Sendesignal durchgeführt wird, das zum Aktivieren der jeweiligen Mikrowellenantenneneinheit dient.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalmischung im Wege einer Summensignalbildung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen mit Frequenzen von 10 bis 200 GHz frequenzmoduliert ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein von den Mikrowellenantenneneinheiten erfassbarer Raumbereich in eine Vielzahl von Einheitsraumbereichen, so genannte Voxel, unterteilt wird, und dass für jedes Voxel m Werte abgespeichert werden, die jeweils der räumlichen Entfernung zwischen dem Voxel und der m Mikrowellenantenneneinheiten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Laufwegbestimmung der Mikrowellen von jeweils einer Mikrowellenantenneneinheit zu einem Voxel die Mikrowellensignale frequenzmoduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte in Look-Up-Tabellen abgespeichert werden, die der Auswertung und Rekonstruktion jeweils eines Objektes zugrunde gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche einem Voxel zuordenbare, abgespeicherte Mikrowellensignalanteile aufaddiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen von n Mikrowellenantenneneinheiten in einer dreidimensionalen Anordnung erfolgt, in der die Mikrowellenantenneneinheiten jeweils einen Abstand zur jeweils benachbarten Mikrowellenantenneneinheit aufweisen, der größer ist als die Wellenlänge der Mikrowellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der Mikrowellensignale mit einem Rekonstruktionsalgorithmus nach Aktivieren aller Mikrowellenantenneneinheiten durchgeführt wird, und dass der Rekonstruktionsalgorithmus unter Massgabe synthetischer Fokussierung auf jeweils ein vorgebbares Voxel auf die abgespeicherten Mikrowellensignale angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der Mikrowellensignale in parallelen Rechenprozessen durchgeführt wird zur Realisierung einer Echtzeit-Rekonstruktion eines zu erfassenden Objektes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erfassende Objekt während der Verfahrensschritte a bis f relativ zur den Mikrowellenantenneneinheiten bewegt wird.
Vorrichtung zum ortsaufgelösten Erfassen und Rekonstruieren von Objekten mittels Mikrowellen, mit einer Vielzahl von Mikrowellenantennen zur Erzeugung von Mikrowellen, die auf ein erfassendes Objekt gerichtet sind, sowie zur Erfassung von an dem Objekt reflektierten Mikrowellenanteilen und Umwandlung in auswertbare Mikrowellensignale, und mit einer Auswerteeinheit, in der die Mikrowellensignale unter Massgabe einer ortsaufgelösten Objekterfassung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass n Mikrowellenantenneneinheiten in räumlicher Anordnung um ein zu erfassenden Objekt angeordnet sind, dass jede Mikrowellenantenneneinheit zwei Sende-/Empfangsantennen mit jeweils unterschiedlicher Polarisation aufweist, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die eine zeitliche Abfolge zur Aktivierung der n Mikrowellenantenneneinheiten vornimmt, dass eine HF-Generatoreinheit mit den n Mikrowellenantenneneinheiten in Verbindung steht zur HF-Leistungsbereitstellung, dass die Auswerteeinheit eine mit den n Mikrowellenantenneneinheiten verbundene Datenaufnahmeeinheit, ein Rekonstruktionsmodul sowie eine Ausgabeeinheit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die pro Mikrowellenantenneneinheit vorgesehenen zwei Sende-/Empfangsantennen eine Antenne zum Aussenden und Empfangen horizontal polarisierter Mikrowellen und eine Antenne zum Aussenden und Empfangen horizontal polarisierter Mikrowellen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Anordnung der n Mikrowellenantenneneinheiten mit gleich verteilten Abständen zu jeweils benachbarten Mikrowellenantenneneinheiten vorgenommen ist, und dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrowellenantenneneinheiten größer als die Wellenlänge der Mikrometerwelle ist, vorzugsweise größer 10 cm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischereinheit vorgesehen ist, die zwischen der Antenneneinheit und der Auswerteinheit geschaltet und mit der HF-Generatoreinheit verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekonstruktionsmodul parallele Rechnerstrukturen sowie in Look-up-Tabellen abgespeicherte Abstandsinformationen von vorgebbaren Raumpunkten in einem zu erfassen Raumbereich zu den einzelnen Mikrowellenantenneneinheiten vorsieht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit eine Visualisierungseinheit ist.