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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bildgebende Rückstreuvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Gerät zum Abbilden eines Bereiches unterhalb der Oberfläche eines Testobjektes gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren zum Erzeugen eines eine Bildinformation enthaltendes Ausgabesignals gemäß Anspruch 10.
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Terahertz-, nachstehend THz- genannt, Strahlung durchdringt viele Materialien und auch biologisches Gewebe, und kann daher zur Bildgebung verdeckter Objekte bei medizinischen Diagnosen, Werkstoffprüfungen oder der Flughafensicherheit eingesetzt werden. Dazu wird zur Erzeugung eines Ausgabesignals, das die gewünschte Bildinformation über die verdeckten Objekte enthält, die vom verdeckten Objekt reflektierte THz-Strahlung über ein herkömmliches heterodynes Empfangssystem oder Korrelationsempfangssystem ausgewertet.
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Die Empfindlichkeit der Empfangssysteme und damit die Genauigkeit der Bildinformation im Ausgabesignal hängen jedoch vom Störabstand des Ausgabesignals, also von seinem Signal zu Rausch-Verhältnis ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße bildgebende Rückstreuvorrichtung hat den Vorteil, dass sie den Störabstand gegenüber bildgebenden Rückstreuvorrichtungen mit herkömmlichen heteronymen Empfangssystemen oder herkömmlichen Korrelationsempfangssystemen weiter verbessert. Sie erlaubt das Eigenrauschen der einzelnen Komponenten im Empfangssystem sowie die Störstrahlung in der empfangenen Strahlung nahezu auszublenden. Dazu umfasst die erfindungsgemäße bildgebende Rückstreuvorrichtung einen Sender zum Aussenden einer Strahlung basierend auf einem Trägersignal mit einer Trägerfrequenz. Mit einem heteronymen Empfänger erzeugt die erfindungsgemäße bildgebende Rückstreuvorrichtung ein Empfangssignal basierend auf der vom Sender ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Strahlung, sowie ein Zwischenfrequenzsignals durch Mischen des Empfangssignals mit einem Abstimmsignal, dessen Abstimmfrequenz von der Trägerfrequenz verschieden ist. Zwar weist die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals nur einen Bruchteil der Frequenz des Trägersignals auf und kann so stabil durch nachfolgende technische Elemente weiterverarbeitet werden, sie ist aber dennoch hoch genug, den heteronymen Empfänger oberhalb seines 1/f Rauschens zu betreiben und so den Störabstand zu verbessern. Ein erster Mischer in der erfindungsgemäßen bildgebenden Rückstreuvorrichtung mischt das Trägersignal mit einem Referenzsignal vor dem Aussenden der Strahlung im Sender. Das Referenzsignal stellt im Trägersignal ein Suchkriterium dar, nach dem ein Lock-in Verstärker nach Empfang der reflektierten Strahlung im Empfangssignal suchen und sehen kann, inwieweit es durch das Objekt verändert wurde. Man kann es daher auch als einen Code ansehen, der in analoger Form im Trägersignal hinterlegt ist. Erfindungsgemäß weist die Rückstreuvorrichtung einen zweiten Mischer auf, der durch Mischen des Referenzsignals mit einem periodischen Signal, dessen Frequenz die Differenzfrequenz aus der Trägerfrequenz und der Abstimmfrequenz ist, ein Korrelationssignal erzeugt. Dieses Korrelationssignal hat im Falle einer unverändert reflektierten Strahlung idealerweise, das heißt ohne Rauschanteile, genau dieselbe Form wie das Zwischenfrequenzsignal. Der Lock-in Verstärker korreliert das Zwischenfrequenzsignal im Empfänger mit dem Korrelationssignal und erzeugt so ein Ausgabesignal mit Bildinformationen über das Objekt, von dem die Strahlung reflektiert wurde. Das Ausgabesignal enthält dann direkt die Bildinformation über das Objekt, die dem Unterschied zum Autokorrelationssignal beispielsweise des Korrelationssignals entspricht. Der Lock-in Verstärker wirkt ferner wie ein sehr schmalbandiger Bandpassfilter und filtert so wirkungsvoll weitere störende Frequenzanteile aus dem Zwischenfrequenzsignal heraus. Durch die erfindungsgemäße Modulation des Referenzsignals mit einem periodischen Signal, dessen Frequenz die Differenzfrequenz aus der Trägerfrequenz und der Abstimmfrequenz ist, zum eigentlichen Korrelationssignal für den Lock-in Verstärker lassen sich die rauschmindernden Wirkungen des heteronymen Empfängers und eines Korrelationsempfängers miteinander kombinieren und so ein höherer Störabstand im Ausgabesignal erreichen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist das Referenzsignal ein Pseudorauschsignal oder ein Rechtecksignal. Ein Pseudorauschsignal ist eine zufällige Folge von Rechteckpulsen und nimmt für sehr kurze Pulslängen die Form eines weißen Rauschens an. Es weist daher eine hohe Eigentümlichkeit auf und ermöglicht eine nahezu rauschfreie Erzeugung des Ausgabesignals mit den Bildinformationen. Ein Rechtecksignal ist demgegenüber eine deterministische Folge von Rechteckpulsen und leichter zu verarbeiten, da seine Form bekannt ist und so nicht zum Empfänger übertragen werden müsste.
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In einer besonders bevorzugten Ausbildung umfasst der Lock-in Verstärker zum Korrelieren einen Integrator, der zum Integrieren des mit dem Korrelationssignal multiplizierten Zwischenfrequenzsignals und zur Ausgabe des Ausgabesignals vorgesehen ist.
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In einer Weiterbildung wird der Integrator abhängig vom Referenzsignal periodisch zurückgesetzt und dadurch mit dem Referenzsignal synchronisiert. Diese Synchronisation ist notwendig, um die Pixel eines später aus dem Ausgabesignal entstehenden Bildarrays zeitlich multiplexen zu können, um im Zeitmultiplexing ein Offset-freies Ausgabesignal zu erhalten.
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In einer anderen oder zusätzlichen Ausführung der Erfindung kann die bildgebende Rückstreuvorrichtung einen Speicher aufweisen, der eine Form des Ausgangssignals als Kalibrierungssignal im Zustand der bildgebenden Rückstreuvorrichtung mit ausgeschaltetem Sender speichert. Ein Subtraktionsglied zieht dann das Kalibrierungssignal vom Ausgangssignal im Zustand der bildgebenden Rückstreuvorrichtung mit eingeschaltetem Sender ab. Auf diese Weise kann das Eigenrauschen des heteronymen Empfängers sowie die eingefangene Störstrahlung weiter deutlich reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführung kann die bildgebende Rückstreuvorrichtung einen Verstärker zum Verstärken des Zwischenfrequenzsignals vor der Korrelation aufweisen.
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In einer noch weiteren Ausführung kann die bildgebende Rückstreuvorrichtung einen Filter zum Filtern des Zwischenfrequenzsignals mit in einem Spektrum unterhalb einer Grenzfrequenz vor oder nach der Verstärkung aufweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung kann die Strahlung eine Strahlung im Teraherzbereich sein. Auf diese Weise kann die abgegebene Strahlung viele Materialien und auch biologisches Gewebe durchdringen, ohne ionisierend zu wirken.
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Die Erfindung umfasst auch ein Gerät zum Abbilden eines Bereiches unterhalb der Oberfläche eines Testobjektes mit einer erfindungsgemäßen bildgebenden Rückstreuvorrichtung. Das Gerät kann dabei eine Sicherheitskamera, ein Scanner zur Durchleuchtung der Garderobe, ein Gerät zur Diagnose von Hautkrebs oder ein Gerät zur Ermittlung von Einschlüssen in einem Werkstück sein.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Erzeugen eines eine Bildinformation enthaltenden Ausgabesignals. Dazu wird zunächst ein Trägersignal mit einer Trägerfrequenz mit einem Referenzsignal gemischt. Danach wird eine Strahlung basierend auf dem gemischten Trägersignal ausgesendet. Im nächsten Schritt wird ein Empfangssignal basierend auf der von einem Objekt reflektierten, ausgesendeten Strahlung erzeugt und mit einem Abstimmsignal, dessen Abstimmfrequenz von der Trägerfrequenz verschieden ist, zu einem Zwischenfrequenzsignal gemischt. Gleichzeitig wird das Referenzsignals mit einem periodischen Signal dessen Frequenz die Differenzfrequenz aus der Trägerfrequenz und der Abstimmfrequenz ist zu einem Korrelationssignal gemischt. Abschließend wird das Zwischenfrequenzsignal mit dem Korrelationssignal zu dem Ausgabesignal korreliert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine bildgebende Rückstreuvorrichtung mit einem herkömmlichen heterodyner Empfänger;
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2 eine bildgebende Rückstreuvorrichtung mit einem herkömmlichen Korrelationsempfänger;
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3 eine erfindungsgemäße Rückstreuvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
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4 eine erfindungsgemäße Rückstreuvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine bildgebende Rückstreuvorrichtung 2 mit einem herkömmlichen heteronymen Empfänger 4 gezeigt, der ein Ausgabesignal 6 mit einer Bildinformation erzeugt. Dazu wird zunächst in einem Sender 8 aus einer ersten Trägersignalquelle 10 ein Trägersignal 12 an eine Sendeantenne 14 abgegeben, die das Trägersignal 12 in eine Strahlung umsetzt. Das Trägersignal 12 kann beispielsweise eine Frequenz von 550 GHz aufweisen, so dass die ausgesendete Strahlung im THz-Bereich liegt. Die Strahlung wird von einem Objekt 16 reflektiert und im heteronymen Empfänger 4 von einer Empfangsantenne 18 in ein Empfangssignal 20 umgesetzt. Im heteronynen Empfänger gibt eine Abstimmquelle 22 ein Abstimmsignal 24 ab, dessen Frequenz verschieden von der Frequenz des Trägersignals 12 ist. Die Frequenz des Abstimmsignals 24 kann beispielsweise 550,006 GHz betragen. Ein Empfangsmischer 26 multipliziert das Empfangssignal 20 mit dem Abstimmsignal 24 und erzeugt so ein Zwischenfrequenzsignal 28, dessen unteres Frequenzband durch einen Bandpassfilter 30 herausgefiltert und durch einen Verstärker 32 verstärkt werden kann. Der gefilterte und verstärkte Anteil des Zwischenfrequenzsignals 28 kann dann als das Ausgabesignal 6 mit der Bildinformation über das Objekt 16 ausgegeben werden.
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Der heterodyne Empfang hat den Vorteil, dass die Komponenten des Empfängers 4 zwar oberhalb ihres 1/f-Rauschens, auch Rosa Rauschen genannt, betrieben werden, die Komponenten wie beispielsweise der Bandpassfilter 30 und der Verstärker 32 müssen aber nicht auf eine allzu große Bandbreite ausgelegt werden, so dass eine zuverlässige und stabile Verarbeitung des Empfangssignals 20 zum Ausgabesignal 6 möglich ist.
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Eine weitere Möglichkeit ein Ausgabesignal 6 mit Bildinformationen über das Objekt 16 zu erhalten stellt ein herkömmlicher Korrelationsempfänger 34 dar, der in 2 in einer anderen bildgebenden Rückstreuvorrichtung 35 gezeigt ist. In dieser Figur stellen zu 1 gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente dar und werden nicht noch einmal beschrieben.
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Zum Erhalt des Ausgabesignals 6 wird der Sender 2 aus 1 um einen Referenzmischer 36 erweitert, der ein aus einer Referenzquelle 40 abgegebenes Referenzsignal 38 mit dem Trägersignal 12 mischt. Das Referenzsignal 38 stellt eine Art analogen Code dar, der empfängerseitig aus dem Empfangssignal herausgesucht werden kann. Die Form des Referenzsignals kann beliebig sein. Gute Ergebnisse lassen sich mit einem Pseudorauschsignal erreichen, das idealerweise ein weißes Rauschen darstellt. Technisch einfacher zu realisieren ist der Korrelationsempfänger 34 mit einem Rechtecksignal, dass durch eine Signalfolge von Ein- und Ausschaltzuständen realisierbar ist. Das Referenzsignal 38 ist in dieser Ausführung auf 500 kHz bandbegrenzt. Der modifizierte Sender 42 sendet über die Sendeantenne 14 die Strahlung wie bereits beschrieben aus und der Korrelationsempfänger 34 empfängt die vom Objekt 16 reflektierte Strahlung mit seiner Empfangsantenne 18. Das Empfangssignal 20 wird zunächst über einen Korrelationsmultiplikator 46 mit dem Referenzsignal 38 multipliziert und anschließend über einen Integrator 48 integriert. Auf diese Weise werden alle Signalanteile im Empfangssignal 20 bis auf das Referenzsignal 38 ausgeblendet. Man spricht auch davon, dass sich der Korrelationsempfänger 34 auf das Referenzsignal 38 einlockt. Daher ist er auch als sogenannter Lock-in Verstärker bekannt.
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Auf die oben beschriebene Weise wirkt der Korrelationserpfänger 34 wie ein sehr schmalbandiger Bandpassfilter und filtert so wirkungsvoll störende Frequenzanteile aus dem Empfangssignal heraus.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße blidgebende Rückstreuvorrichtung 50 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Sender 42 aus der bildgebende Rückstreuvorrichtung 32 der 2 und einem modifizierten Empfänger 52 gezeigt. In dieser Figur stellen zu den 1 und 2 gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente dar und werden nicht noch einmal beschrieben.
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In der Rückstreuvorrichtung 50 wird das Referenzsignal 38 über einen Korrelationsmischer 58 mit einem aus einem Signalgenerator 56 ausgegebenen periodischen Signal 54 zu einem Korrelationssignal 60 gemischt. Das periodische Signal 54 hat erfindungsgemäß eine Frequenz im unteren Frequenzband des Zwischenfrequenzsignals 28. Die Frequenz entspricht der Differenz aus der Frequenz des Trägersignals 12 und des Abstimmsignals 24. Die Mischung des Referenzsignals 38 mit dem periodischen Signal 54 erfolgt in der gleichen Weise, wie die Mischung des Trägersignals 12 mit dem Referenzsignal 38. Mit dem so entstandenen Korrelationssignal 60 steht dem Empfänger 52 damit eine Referenz zur Verfügung, wie das Zwischenfrequenzsignal 28 ohne die Bildinformation über das Objekt 16 auszusehen hat. Der Unterschied zwischen dem Korrelationssignal 60 und dem Zwischenfrequenzsignal 28 stellt dann im Idealfall ohne weitere Rauschanteile direkt die Bildinformation über das Objekt 16 dar. Zur Extraktion dieser Bildinformation werden beide Signale 28, 60 miteinander korreliert, was im Fall einer unveränderten Rückstrahlung der ausgesendeten Strahlung zu einer Autokorrelation des Zwischenfrequenzsignals 28 beziehungsweise des Korrelationssignals 60 als Ausgabesignal 6 führt. Die Nachbearbeitung des Ausgabesignals 6 bis hin zu einem Bild des Objektes 16 auf einem Bildschirm ist dem Fachmann geläufig und wird nachstehend nicht weiter erläutert. Der Korrelationsmischer 58 und der Signalgenerator 56 können an jeder beliebigen Stelle in der Rückstreuvorrichtung 50 angeordnet sein, das heißt entweder im Sender 42, im modifizierten Empfänger 52 oder, wie in 3 gezeigt, auch außerhalb von beiden.
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Als Grundlage für den modifizierten Empfänger 52 in der erfindungsgemäßen Rückstreuvorrichtung 50 dient der heterodyne Empfänger 2 aus 1. In diesem wird das Referenzsignal 38 und der gefilterte und verstärkte Anteil des Zwischenfrequenzsignals 28 mit dem Korrelationssignal 60 über den Korrelationsmultiplikator 46 und den Integrator 48 zu dem Ausgabesignal 6 mit der Bildinformation über das Objekt 16 korreliert.
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Die Erfindung kombiniert auf diese Weise den Heterodynempfang mit dem Korrelationsempfang insbesondere für eine THz-Kamera und verbessert so den Störabstand (Signal-zu-Rausch Verhältnis). Das Ausgabesignal 6 kann als Autokorrelation zwischen dem gefilterten und verstärkten Anteil des Zwischenfrequenzsignals 28 (einschließlich seiner Rauschanteile) und dem Referenzsignal 40 des Senders 42 angesehen werden.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße bildgebende Rückstreuvorrichtung 61 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In dieser Figur stellen zu den 1 bis 3 gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente dar und werden nicht noch einmal beschrieben.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert ein Controller 62 über Steuersignale 64, 66, 68, 70 die Ausgabe der Signale aus der Trägersignalquelle 10, der Abstimmquelle 22, dem Signalgenerator 56 und der Referenzquelle 40. Das Steuersignal 70 zur Steuerung der Referenzquelle 40 wird gleichzeitig verwendet, den Integrator 48 periodisch zurückzusetzen. Auf diese Weise werden das Referenzsignal 38 und der Betrieb des Integrators 48 derart miteinander synchronisiert, dass der Integrator 48 mit jeder Periode des Referenzsignals zurückgesetzt wird.
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Ferner weist die bildgebende Rückstreuvorrichtung 61 einen durch den Controller 62 über ein Steuersignal 72 gesteuerten Speicher 74 und ein Subtraktionsglied 76 auf. Der Controller 62 speichert über das Steuersignal 72 im Speicher 74 den Zustand des Ausgabesignals 6, wenn über die Antenne 14 keine Strahlung abgegeben wird. Auf diese Weise enthält das Empfangssignal 20 und damit auch das Ausgabesignal 6 lediglich Rauschanteile, die durch das Eigenrauschen des heteronymen Empfangsmischers 26 und dem nachfolgenden Verstärker 32, sowie die von der Antenne eingefangene Störstrahlung erzeugt wird. Dieser Zustand des Ausgabesignals 6 kann dann im Betrieb der bildgebenden Rückstreuvorrichtung 61, das heißt wenn die Antenne 14 Strahlung abgibt, als Kalibrierungssignal 78 vom dann erzeugten Ausgabesignal 6 abgezogen werden. Dadurch werden die zuvor genannten Rauschanteile nahezu ausgeblendet.
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine bildgebende Rückstreuvorrichtung, in der ein heterodyner Empfang und ein Korrelationsempfang durch Mischen des Referenzsignals für den Korrelationsempfang mit der heteronymen Differenzfrequenz vor dem Korrelieren im Empfänger miteinander kombiniert werden.
