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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur multistatischen Messung von Mikrowellensignalen mit einer Antennenanordnung, die mehrere Antennencluster umfasst und ein Verfahren zur Konfiguration der Vorrichtung.
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Vorrichtungen zur multistatischen Messung von Mikrowellensignalen, oft auch als Millimeterwellen-Scanner bezeichnet, werden beispielsweise zur Materialuntersuchung oder als Körperscanner verwendet. Bei einer multistatischen Messung sendet ein Antennenelement Mikrowellensignale aus, die nach Reflexion an einem zu untersuchenden Objekt in allen Empfangsantennen empfangen werden. Nacheinander oder auch parallel sendet jede der vorhandenen Sendeantennen ein Signal aus, das jeweils von allen Empfangsantennen empfangen und nachfolgend ausgewertet wird. Die Phase und Amplitude des empfangenen Signals werden bestimmt und z. B. durch einen softwarebasierten Algorithmus der reflektierende Raumpunkt ermittelt. Somit wird eine Vielzahl von Messdaten in einem räumlichen Bereich gesammelt, sodass eine genaue Abbildung eines Objekts in diesem Bereich rekonstruiert werden kann.
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Aus der
DE 10 2011 005 145 A1 ist ein Millimeterwellen-Scanner bekannt, der nach dem beschriebenen multistatischen Messverfahren arbeitet. Der Millimeter-Scanner umfasst eine Antennenanordnung, die aus einem oder mehreren Antennencluster aufgebaut ist. Ein Antennencluster umfasst dabei mehrere Sendeantennen, die in einem vorbestimmten Bereich angeordnet sind, sowie eine Anzahl von Empfangsantennen, die in einem anderen Bereich angeordnet sind. Durch das Zusammenschalten mehrerer Antennencluster entsteht eine größere Öffnungsweite, auch Apertur genannt, der Antennenanordnung, sodass ein größerer räumlicher Bereich untersucht werden kann, ohne dass die räumliche Position eines Antennenclusters geändert werden müsste.
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Nachteilig an einer solchen Messvorrichtung ist, dass eine immens hohe Anzahl an Messwerten, die sich aus der Anzahl der Kombinationen aus jeder Sende- mit jeder Empfangsantenne ergeben, gemessen werden und somit eine hohe Anforderungen an die Messelektronik und Auswertekapazität stellen. Dieser erfordert insbesondere eine hohe Rechenkapazität in der Auswerteeinheit und ist mit hohen Kosten für die Messvorrichtung und/oder einer lange Auswertezeit verbunden.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von Mikrowellensignalen und ein Verfahren zu dessen Konfiguration zu schaffen, die die Erstellung einer Abbildung mit geringerem Rechenaufwand ermöglicht und somit kostengünstiger und zeiteffizienter ist.
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Konfiguration einer Messvorrichtung mit einer Antennenanordnung, die aus mehreren Antennenclustern gebildet wird, wobei jedes Antennencluster mehrere Sendeantennen und mehrere Empfangsantennen umfasst, zeichnet sich durch die Bildung von Konfigurationsgruppen und dazugehörigen Gruppenaperturen aus. Eine Konfigurationsgruppe wird dabei konfiguriert durch Zuordnen einer Teilmenge der Antennencluster der Antennenanordnung zu einer Konfigurationsgruppe. Zumindest eine Teilmenge der Antennencluster der Konfigurationsgruppe wird dabei als Empfangscluster konfiguriert, indem ausschließlich die Empfangsantennen des Antennenclusters aktiviert werden und zumindest eine Teilmenge der Antennencluster der Konfigurationsgruppe als Sendecluster durch Aktivieren der Sendeantennen konfiguriert werden. Es werden die von allen Sendeantennen aller Sendecluster der Konfigurationsgruppe ausgestrahlten und an einem Objekt reflektierten Mikrowellensignale an jeder Empfangsantenne der Empfangscluster der Konfigurationsgruppe gemessen.
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Somit reduziert sich die Anzahl der auszuwertenden Signale, da die Anzahl der Sender-Empfänger Kombinationen durch die geringere Anzahl der Sende- und Empfangsantennen reduziert wird. Durch die Anzahl und Anordnung der Antennencluster in einer Konfigurationsgruppe ergibt sich dabei eine Gruppenapertur, die zur Detektion eines Objekts zur Verfügung steht. In vorteilhafter Weise kann somit die Antennenanordnung bzw. der aktive Teil der Antennenanordnung an die Größe und Position des zu untersuchenden Objekts angepasst werden. Insbesondere durch die Kombination mehrerer Konfigurationsgruppen, können Aperturen mit verschiedener Größe und Kontur gebildet werden. Der Mess- und Auswerteaufwand und die Dauer zur Erstellung einer Abbildung werden dabei reduziert.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, wenn lediglich ein einziges Antennencluster der Konfigurationsgruppe als Empfangscluster konfiguriert wird. Dies ermöglicht insbesondere die Bildung eines einheitlichen Rasters an Messpunkten, sodass eine einfache Auswertung und Kombination mehrerer aus einzelnen Konfigurationsgruppen erstellter Abbildungen möglich ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sendeantennen und die Empfangsantennen eines Antennenclusters derart angeordnet werden, dass die Gesamtheit der Mittelpunkte der Strecken, die von jeder Sendeantenne des Antennenclusters zu jeder Empfangsantennen eines Antennenclusters gespannt sind, ein zweidimensionales Raster bilden, das jeweils in eine Ausdehnungsrichtung gleiche Abstände aufweist, sodass durch die Gesamtheit der Mittelpunkte eine effektive Apertur aufgespannt wird. Eine solche Apertur ermöglicht insbesondere eine homogene Abbildung des zu untersuchenden Objekts.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist es, wenn die Sendecluster und das bzw. die Empfangscluster einer Konfigurationsgruppe in einem beliebigen zweidimensionalen Raster angeordnet werden, das jeweils in einer Ausdehnungsrichtung gleiche Abstände aufweist. Durch ein entsprechendes rasterförmiges Anordnen der Sende- und Empfangscluster in einer Konfigurationsgruppe kann auf einfache Weise wiederum eine effektive Apertur der Konfigurationsgruppe erzeugt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere Konfigurationsgruppen konfiguriert und räumlich so angeordnet, dass alle Gruppenaperturen der einzelnen Konfigurationsgruppen zusammen eine gemeinsame zusammenhängende Apertur ohne Lücken ausbilden. Somit kann beispielsweise die Apertur einer Antennenanordnung, die wie im Stand der Technik beschrieben durch eine Messung der Signale, die von jeweils allen Sendeantennen ausgesandt und von allen Empfangsantennen empfangen wurde, nachgebildet werden. Dabei wird ein Vielfaches der Rechenleistung eingespart, da lediglich die Empfangsantennen beispielsweise des einen Empfangsclusters einer Konfigurationsgruppe nur mit den Sendeantennen einer Teilmenge der Antennencluster der gesamten Antennenanordnung kombiniert bzw. gemessen werden.
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Vorteilhafter Weise wird für jede einzelne Konfigurationsgruppe eine Abbildung des Objekts durch kohärente Korrelation der von allen Sendeantennen aller Sendecluster einer Konfigurationsgruppe ausgestrahlten, an einem Objekt reflektierten und an jeder Empfangsantenne des Empfangsclusters einer Konfigurationsgruppe empfangenen Mikrowellensignale rekonstruiert. Somit können die Abbildungen mehrerer Konfigurationsgruppen parallel und somit völlig separat voneinander rekonstruiert werden und die Auswertungsdauer kann optimiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für jede Konfigurationsgruppe die Abbildung für Raumpunkte eines vordefinierten, immer gleichen Raumgitters rekonstruiert. Dies hat den Vorteil, dass beim Zusammensetzen der Abbildungen verschiedener benachbarter Konfigurationsgruppen Bilder ohne räumlichen Versatz entstehen.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die in einem Überlappungsbereich der Aperturen von mehreren Konfigurationsgruppen gemessenen Mikrowellensignale mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet werden. Dies führt bei einer Gesamt-Abbildung, die aus Abbildungen von mehreren Konfigurationsgruppen zusammengesetzt ist, zu einer einheitliche "Helligkeit", da einem jeden Messpunkt die gleiche Anzahl an Messungen zugrunde liegen.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn ein Reflektorelement neben die Antennenanordnung parallel zum Rand eines oder mehrerer Sendecluster und/oder senkrecht zur Gruppenapertur-Ebene angeordnet wird und die vom Reflektorelement reflektierten Mikrowellensignale als von virtuellen Sendeantennen eines am Reflektorelement gespiegelten Sendeclusters gemessen und rekonstruiert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur multistatischen Messung von Mikrowellensignalen umfasst eine Antennenanordnung, eine Steuereinheit und eine Auswerteeinheit. Die Antennenanordnung umfasst mehrere Antennencluster, wobei ein Antennencluster jeweils mehrere Sendeantennen und mehrere Empfangsantennen aufweist. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass eine Teilmenge der Antennencluster einer Konfigurationsgruppe zuordenbar ist, zumindest eine Teilmenge der Antennencluster der Konfigurationsgruppe als Empfangscluster durch Aktivieren der Empfangsantennen des Antennenclusters konfigurierbar ist, zumindest eine Teilmenge der Antennencluster der Konfigurationsgruppe als Sendecluster durch Aktivieren der Sendeantennen konfigurierbar ist und die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass die von allen Sendeantennen aller Sendecluster der Konfigurationsgruppen ausgestrahlten und an einem Objekt reflektierten Mikrowellensignale an jeder Empfangsantenne der Empfangscluster der Konfigurationsgruppe gemessen werden. Dies ermöglicht eine Anpassung der Apertur der Messvorrichtung an das jeweilige zu messende Objekt bzw. reduziert signifikant die Last der Auswerteeinheit.
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In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Sendeantennen und die Empfangsantennen eines Antennenclusters der Messvorrichtung derart angeordnet, dass die Gesamtheit der Mittelpunkte der Strecken, die von jeder Sendeantenne des Antennenclusters zu jeder Empfangsantenne des Antennenclusters gespannt sind, ein zweidimensionales Raster bilden, das jeweils in eine Ausdehnungsrichtung gleiche Abstände aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Messvorrichtung ist es, wenn in einem Antennencluster die Empfangsantennen in zwei parallel zueinander angeordneten Bereichen und die Sendeantennen in zwei parallelen Bereichen senkrecht zu den Empfangsantennen in Form eines rechteckigen, bevorzugt quadratischen Rahmens angeordnet sind. Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Antennenclusters ist es, wenn die Empfangsantennen in einem rechteckigen, bevorzugt einem quadratischen Bereich angeordnet sind und eine oder mehrere Sendeantennen jeweils außerhalb jeder Ecke des rechteckigen, bevorzugt quadratischen Bereichs angeordnet sind. Ein Antennencluster in inventierter Ausprägung, bei dem die Sendeantennen in einem rechteckigen, bevorzugt quadratischen Bereich angeordnet und die Empfangsantennen außerhalb jeder Ecke des quadratischen Bereichs angeordnet sind, ist ebenfalls von Vorteil.
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Von Vorteil ist ebenfalls ein Antennencluster, in dem Bereiche mit Sende- und Bereiche mit Empfangsantennen schachbrettartig zueinander versetzt angeordnet sind.
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Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn in einem Antennencluster die Sendeantennen punktsymmetrisch gegenüber einem Mittelpunkt des Antennenclusters und die Empfangsantennen in gleicher Form aber um 90° gedreht dazu angeordnet sind.
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Alle genannten Ausführungsformen der Antennencluster bilden jeweils eine dichte effektive Apertur, die kombiniert zu einer Konfigurationsgruppe wiederum eine effektive Apertur ergeben. Somit ist eine gleichmäßige Abtastung des zu untersuchenden Objekts gewährleistet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung ist es, wenn ein Reflektorelement neben der Antennenanordnung parallel zum Rand eines oder mehrerer Antennencluster und senkrecht zur Gruppenapertur-Ebene einer Konfigurationsgruppe angeordnet ist und die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass die vom Reflektorelement reflektierten Mikrowellensignale als von virtuellen Sendeantennen eines am Reflektorelement gespiegelten Sendeclusters abgestrahlt angenommen und rekonstruiert werden. Dies ermöglicht es, die Apertur über die Apertur der gesamten physikalischen Antennenanordnung hinaus zu erweitern und somit das zu untersuchende Objekt aus einem erweiterten Blickwinkel zu untersuchen. Dies ist ohne zusätzliche Sendeantennen bzw. Sendecluster lediglich durch das Reflektorelement möglich.
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Vorteilhafter Weise ist das Reflektorelement in einem Abstand, der einem halben Rasterabstand zwischen benachbarten Sendeclustern entspricht, von einem dem Reflektorelement benachbarten Sendecluster der Konfigurationsgruppe angeordnet. Bei dem genannten Abstand erscheinen die Antennenanordnung und insbesondere die Konfigurationsgruppe um ein oder mehrere virtuelle Sendecluster, die entsprechend dem Raster der Antennenanordnung bzw. der Konfiguration angeordnet sind, erweitert.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1A ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters und eine davon aufgespannte Aperturfläche in Draufsicht;
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1B ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters und eine davon aufgespannte Aperturfläche in Draufsicht;
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2 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters in schematischer Darstellung;
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3 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters in schematischer Darstellung;
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4 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters in schematischer Darstellung;
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5 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters in schematischer Darstellung;
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6 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antennenclusters in schematischer Darstellung;
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7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Antennenanordnung mit Konfigurationsgruppen in schematischer Darstellung;
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8 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Konfigurationsgruppe als Basis für eine zusammengesetzte Gesamtapertur einer Antennenanordnung in schematischer Darstellung;
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9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Konfigurationsgruppe entsprechend 8 und
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10 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in schematischer Darstellung.
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Anhand 1A und 1B wird erläutert, wie sich eine effektive Apertur aus der Anordnung der Sende- und Empfangsantennen bei einer multistatischen Messung ergibt. In den 2 bis 6 werden vorteilhafte Ausbildungen jeweils eines Antennenclusters mit effektiver Apertur gemäß den 1A und 1B beschrieben. Anhand von 7 wird der Aufbau von Konfigurationsgruppen und deren mögliche Anordnung in einer Antennenanordnung aufgezeigt. 8 und 9 zeigen günstige Konfigurationsgruppen, um eine die gesamte Antennenanordnung überdeckende Apertur zu bilden. Anhand von 10 soll schließlich der Aufbau einer entsprechenden Messvorrichtung verdeutlicht werden.
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1 zeigt ein Antennencluster 10 mit mehreren Empfangsantennen 11, die in gleichen Abständen in einer Reihe angeordnet sind. Senkrecht dazu sind ebenfalls in einer Reihe Sendeantennen 12 in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Eine effektive Aperturfläche wird durch die Mittelpunkte 14 der Strecken 18, die zwischen jeder möglichen Sende-/Empfangsantennenkombinationen gespannt sind, definiert. In 1 ist dies für alle Kombinationen der oberen fünf Empfangsantennen 11 mit den fünf seitlichen Sendeantennen 12 auf der linken Seite eingezeichnet. Dabei sind die Mittelpunkte 14 jeweils durch schwarze Quadrate gekennzeichnet. Diese spannen eine effektive Aperturfläche 15 auf. Ein Antennencluster mit weiteren vier parallel zu den oberen fünf Empfangsantennen 11 angeordneten Empfangsantennen sowie vier Sendeantennen 12 parallel zu den auf der linken Seite eingezeichneten Sendeantennen 12 ergeben eine effektive Aperturfläche 13.
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1B zeigt Antennencluster 16 mit fünf Empfangsantennen 11, die waagrecht in einer Reihe und mit gleichen Abständen angeordnet sind. Senkrecht zu den Empfangsantennen 11 sind in einer Reihe mit gleichen Abständen und in horizontaler Richtung mittig unter den Empfangsantennen 11 mehrere Sendeantennen 12 angeordnet. Aus den Mittelpunkten 14 der Strecken 18 zwischen jeder Sende-/Empfangsantennen-Kombination ergibt sich hier eine effektive Aperturfläche 17.
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Eine effektive Apertur ist gegeben, wenn die Mittelpunkte 14 der Strecken 18 jeweils in eine Ausdehnungsrichtung den gleichen Abstand aufweist, wobei die Abstände in unterschiedliche Ausdehnungsrichtung, z. B. x und y, gleich oder unterschiedlich groß sein können. So kann der in 2 eingezeichnete Abstand zwischen Mittelpunkten 14 in y-Richtung einem Wert c entsprechen. Der Abstand d zwischen jeweils benachbarten Mittelpunkten in x-Richtung ist ebenfalls gleich und kann aber einen vom Abstand c der Mittelpunkte in y-Richtung unterschiedlichen Wert aufweisen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Antennenclusters 20, bei dem ähnlich wie in 1, Sendeantennen 12 in jeweils parallel gegenüberliegenden Bereichen 22 und Empfangsantennen 11 jeweils senkrecht dazu in parallel zueinander angeordneten Bereichen 21 entsprechend den Seiten eines rechteckigen, bevorzugt quadratischen Rahmens angeordnet sind. Die Sendeantennen 12 in einem Bereich 22 mit Sendeantennen 12 können dabei beispielsweise in einer oder mehrere parallelen Reihe angeordnet sein. Die Sendeantennen 12 können aber auch in einer anderen regelmäßigen Anordnung darin angeordnet sein. Entsprechend befinden sich eine Anzahl von Empfangsantennen 11 im Bereich 21 mit ausschließlich Empfangsantennen 11, die gleich oder auch unterschiedlich wie die Sendeantennen 12 im Bereich 22 angeordnet sind.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Antennenclusters 30, bei dem die Sendeantennen 12 punktsymmetrisch gegenüber einem Mittelpunkt 35 des Antennenclusters 30 und die Empfangsantennen 11 in gleicher Form aber um 90° gedreht dazu angeordnet sind. Dabei ist beispielsweise ein Bereich 32 mit Sendeantennen waagrecht angeordnet. An den Enden des Bereichs 32 sind um 90° gedreht in jeweils entgegengesetzte Richtung weisende kürzere Sendeantennenbereiche 34 angesetzt. Ein Bereich 31 mit Empfangsantennen ist um 90° um einen Mittelpunkt 35 des waagrecht angeordneten Bereichs 32 mit Sendeantennen gedreht zu diesem angeordnet. An den Enden des Bereichs 31 sind um 90° gedreht in jeweils entgegengesetzte Richtung weisende kürzere Empfangsantennenbereiche 33 angeordnet.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Antennenclusters 40, bei dem Sendeantennen in einem rechteckigen, bevorzugt quadratischen zentralen Bereich 42 angeordnet sind und außerhalb jeder Ecke an diese anschließend jeweils ein Bereich 41 mit Empfangsantennen ausgebildet ist. Der Bereich 42 mit Sendeantennen umfasst vorzugsweise mehrere Sendeantennen, die beispielsweise rasterförmig darin angeordnet sind. Der Bereich 41 mit Empfangsantennen umfasst vorzugsweise eine Empfangsantenne, kann aber auch mehrere Empfangsantennen umfassen. In 5 sind im beispielsweise zentralen Bereich 51 Empfangsantennen angeordnet. Die an jede Ecke anschließenden Bereiche 52 enthalten Sendeantennen. Ansonsten entsprechen beide Ausführungsformen von Antennenclustern einander.
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6 zeigt ein schachbrettartig strukturiertes Antennencluster 60 mit in x- und y-Richtung jeweils abwechselnd angeordneten Bereichen mit Empfangsantennen 61 und Bereichen mit Sendeantennen 62. Jeder Bereich kann eine oder mehrere Empfangs- bzw. Sendeantenne aufweisen.
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Neben den beschriebenen Anordnungen sind Antennencluster verwendbar, bei denen die Sendeantennen 11 punktsymmetrisch gegenüber einem Mittelpunkt des Antennenclusters angeordnet sind und die Empfangsantennen in gleicher Form wie die Sendeantennen, aber um 90° um den Mittelpunkt gedreht dazu angeordnet sind. Allen beschriebenen Ausführungsbeispielen von Antennenclustern 20, 30, 40, 50, 60 ist gemein, dass durch die Sende- und Empfangsantennen eine effektive Apertur aufgespannt wird.
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7 zeigt nun ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Antennenanordnung 100 in dem mehrere Antennencluster 101 in einem regelmäßigen Raster in einer Ebene angeordnet sind. Beispielhaft ist als Antennencluster 101 ein in 2 dargestelltes Antennencluster 20 eingezeichnet. Es kann jedoch auch ein beliebiges, eine effektive Apertur bildendes Antennencluster und insbesondere eine Ausführungsform der beschriebenen Antennencluster 30, 40, 50, 60 zur Ausbildung der Antennenanordnung eingesetzt werden. Vorzugsweise wird ausschließlich eine Ausführungsform eines Antennenclusters 101 in einer Antennenanordnung 100 verwendet. Die Abstände a zwischen den einzelnen Antennenclustern 101 sind dabei in einer ersten Ausdehnungsrichtung immer identisch. Ebenso ist der Abstand b zwischen den Antennenclustern 101 in einer zweiten Ausdehnungsrichtung identisch. Die Abstände a und b in verschiedenen Ausdehnungsrichtungen müssen dabei nicht notwendigerweise identisch sein. Bevorzugt entspricht der Abstand a zwischen den Antennenclustern 101 dem Abstand zwischen waagrecht angeordneten Sende- bzw. Empfangsantennen in dem Antennencluster selbst und der Abstand b zwischen den Antennenclustern 101 dem Abstand zwischen senkrecht angeordneten Empfangs- bzw. Sendeantennen in dem Antennencluster 101 selbst.
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Bisher ist es bei multistatischen Messung mit einer solchen Antennenanordnungen 100 üblich, dass in jeder einzelnen Empfangsantenne 12 jeweils die von allen Sendeantennen 11 ausgestrahlten Mikrowellensignale in Reflexion gemessen werden und anschließend für die Rekonstruktion des Objekts in einer Abbildung ausgewertet werden. Durch die hohe Anzahl von Sende-/Empfangsantennen-Kombinationen ergibt sich eine hohe Auswertelast, die wiederum zu hohen Anforderungen an die Prozessorkapazitäten in der Auswerteeinheit führt bzw. hohe Kosten mit sich bringt oder langer Auswertezeiten bedarf. Andererseits wird bei einem Objekt, das gegenüber der Apertur der Antennenanordnung eine geringe Ausdehnung aufweist, ein weit größerer Volumenbereich gescannt und rekonstruiert als von dem Objekt eingenommen wird. Beide Nachteile werden durch die Bildung einer oder mehrerer Konfigurationsgruppen 102 behoben.
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Eine Konfigurationsgruppe 102 wird durch das Zuordnen einer Teilmenge von Antennenclustern 101 der Antennenanordnung 100 zu einer Konfigurationsgruppe 102 gebildet. Desweiteren wird mindestens eine Teilmenge der Antennencluster der Konfigurationsgruppe 102 als Empfangscluster 104 durch Aktivieren der Empfangsantennen des Antennenclusters 101 konfiguriert. Entsprechend wird zumindest eine Teilmenge der Antennencluster 101 der Konfigurationsgruppe 102 als Sendecluster 105 durch Aktivieren lediglich der Sendeantennen konfiguriert. Anschließend erfolgt die multistatische Messung der Mikrowellensignale, die von allen Sendeantennen 11 aller Sendecluster 105 der Konfigurationsgruppe 102 ausgestrahlt und an jeder Empfangsantenne 12 eines Empfangsclusters 104 der Konfigurationsgruppe 102 empfangen wurden.
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In 7 sind verschiedene Korrelationsgruppen 102, 108, 109, 110 mit unterschiedlicher Kontur dargestellt. Die Konfigurationsgruppe 102 wird beispielsweise aus genau einem Empfangscluster 104 und zwei Empfangscluster 105 gebildet. Das Empfangscluster 104 kann zusätzlich auch als Sendecluster 105 konfiguriert werden, in dem zusätzlich zu den Empfangsantennen des Antennenclusters auch die Sendeantennen aktiviert sind. Ein Sendecluster 105 wird konfiguriert, indem lediglich die Sendeantennen des Antennenclusters 101 aktiv geschalten sind. Die Empfangsantennen sind deaktiviert. Es ergibt sich daraus eine gewinkelte Apertur 103. Sendecluster 105 sind in 7, 8 und 9 jeweils mit unterbrochener Schraffierung gekennzeichnet. Ein Empfangscluster 104 wird konfiguriert, indem lediglich die Empfangsantennen aktiviert sind, die Sendeantennen sind deaktiviert. Die Empfangscluster 104 sind in 7, 8 und 9 jeweils durch eine dichte Schraffur gekennzeichnet.
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Eine weitere Konfigurationsgruppe 109 umfasst beispielsweise fünf Sendecluster 105 und ein Empfangscluster 104. Bei einer multistatischen Messung zwischen den Sendeantennen aller Sendecluster 105 der Konfigurationsgruppe 109 mit allen Empfangsantennen des Empfangsclusters 104 wird eine rechteckige Apertur 103´ um das Empfangscluster 104 herum zwischen den angrenzenden Sendeclustern aufgespannt. Die Aperturfläche ist jeweils kariert schraffiert dargestellt. Eine weitere kreuzförmige Konfigurationsgruppe 110 wird aus vier Sendeclustern und einem Empfangscluster 104 gebildet. Die dadurch erzeugten Gruppen der Apertur 103´´ entspricht ebenfalls einer kreuzförmigen Fläche. Auch hier ist vorzugsweise das Empfangscluster 104 auch als Sendecluster 105 konfiguriert. Ein oder mehrere Sendecluster 105 können mehreren Konfigurationsgruppen gleichzeitig zugeordnet sein, wie dies beispielhaft bei Konfigurationsgruppe 109 und 110 der Fall ist.
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In einer Konfigurationsgruppe 108 ist ein Reflektorelement 106 parallel zum Rand zweier Sendecluster 105 und senkrecht zur Ebene der Antennenanordnung 100 bzw. zur Gruppenapertur 103´´´ angeordnet. Die von den Sendeantennen der Sendecluster 105 ausgestrahlten Mikrowellensignale werden am Reflektorelement 106 gespiegelt, sodass die Signale als von einem gespiegelten, virtuellen Sendecluster 107 abgestrahlt erscheinen. Dadurch ergeben sich zwei virtuelle Sendecluster 107, die bei der Auswertung bzw. Rekonstruktion der Abbildung als reale Sendecluster an der angezeichneten gespiegelten Position berücksichtigt werden. Die Auswertefunktion kann ohne Änderungen auch auf diese gespiegelten virtuellen Sendeantennen ohne weitere Modifikation angewandt werden. Die daraus gewonnenen Messwerte können mit einem Gewichtungsfaktor beaufschlagt werden. Ein solcher Gewichtungsfaktor kann beispielsweise die geringere Signalamplitude durch Reflexionsverluste ausgleichen. Die Gruppenapertur einer solchen Konfigurationsgruppe 108 erstreckt sich über den physikalischen Rand der Antennenanordnung 100 hinaus und erweitert somit die Apertur der gesamten Antennenanordnung 100.
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Eine weitere beispielhafte Konfigurationsgruppe 112 ist im unteren Eckbereich der Antennenanordnung dargestellt. Die Konfigurationsgruppe 112 wird durch eine der Konfigurationsgruppe 102 entsprechende Anordnung aus einem Empfangscluster 104 und drei Sendecluster 105 gebildet. Ein Reflektorelement 116 mit einer ebenen reflektierenden Oberfläche ist hier parallel zum unteren Rand der Antennenanordnung 100 und der parallel dazu angeordneten Sendecluster 105 bzw. Empfangscluster 104 und senkrecht zur Ebene der Antennenanordnung 100 angeordnet. Entsprechend den obigen Ausführungen ergeben sich durch das Reflektorelement 116 drei zusätzliche virtuelle Sendecluster 107, die eine erweiterte Ausleuchtung des zu untersuchenden Objekts nach unten ergeben. Die aufgespannte Aperturfläche 113 umfasst die Fläche zwischen dem Empfangscluster 104 und den beiden realen Empfangsclustern 105 sowie die Flächen zwischen dem Empfangscluster 104 und den gespiegelten, virtuellen Empfangsclustern 107. Es können mehrere Reflektorelemente 106, 116 gleichzeitig eingesetzt werden. Die Reflektorelemente 106, 116 können sich über ein oder mehrere Antennencluster 101 erstrecken und sowohl an bzw. neben einem seitlichen und/oder oberen und/oder unteren Rand der Antennenanordnung 100 bzw. der Antennencluster 101 angeordnet sein.
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Für jede einzelne Konfigurationsgruppe
102,
108,
109,
110,
112 wird eine Abbildung durch kohärente Korrelation der Signale aller Sende-/Empfangsantennen-Kombinationen und Frequenzen für einen Raumbereich rekonstruiert. Als zugrundeliegender Algorithmus wird beispielsweise ein Backpropagation-Algorithmus entsprechend der Formel
verwendet. Dabei bezeichnet M das empfangene Mikrowellensignal, t
x und r
x bezeichnen die Position einer Empfangsantenne
12 und Sendeantenne
11 der Antennenanordnung
100. Jedem Objektpunkt (x, y, z) im dreidimensionalen Raum wird so ein Reflexionswert R zugeordnet.
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Die Rekonstruktion der Abbildung wird für alle konfigurierten Konfigurationsgruppen 102, 108, 109, 110, 112 für einen definierten Raumbereich rekonstruiert. Dieser ist vordefiniert und umfasst die gleichen Raumpunkte. Überlappen sich die Aperturen benachbarter Korrelationsgruppen, so wird vor der Rekonstruktion der Bildpunkte der entsprechende Bereich durch eine Gewichtungsfunktion korrigiert, sodass bei einer aus mehreren Korrelationsgruppen berechneten Abbildung, die dann zusammengesetzt eine Gesamtabbildung des Objekts bilden, eine einheitliche Gewichtung jedes Raumpunktes gegeben ist. Alternativ kann ein Gewichtungsfaktor erst beim anschließenden Zusammenfügen der einzelnen Abbildung nach der Rekonstruktion der Abbildung einer einzelnen Konfigurationsgruppe 102, 108, 109, 110, 112 auf die überlappenden Bildpunkte angewendet werden.
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Um ein Objekt, das sich beispielsweise im unteren Bereich vor der Antennenanordnung 100 befindet, effizient im Bezug auf Auswertekapazität und Auswertedauer zu messen, können eine ohne mehrere Konfigurationsgruppen, die lediglich Antennencluster 101 im unteren Bereich der Antennenanordnung 100 aufweisen, konfiguriert werden. Die Gesamtapertur für eine solche Messung setzt sich dann aus den einzelnen Gruppenaperturen der konfigurierten Konfigurationsgruppen zusammen. Somit kann eine sehr variable Apertur 103 in Bezug auf Größe und Kontur konfiguriert werden. Diese kann der Form und Größe sowie der Lage des zu untersuchenden Objekts individuell angepasst werden.
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Es können auch mehrere Konfigurationsgruppen, die nicht zusammenhängende Aperturen aufspannen, konfiguriert werden, um beispielsweise einen Bereich des Beins sowie einen Bereich am Oberkörper einer zu scannenden Person zu untersuchen. Dies erlaubt einen sehr effizienten Einsatz sowohl der Auswerteeinheit als auch der darin enthaltenen Prozessoren und/oder verringert die Messdauer. Außerdem wird die abgestrahlte Sendeleistung reduziert und somit der Energieverbrauch vermindert.
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Andererseits können eine Vielzahl von Konfigurationsgruppen so konfiguriert werden, dass die einzelnen Gruppenaperturen zusammen die gesamte Fläche der Antennenanordnung überdecken und somit die Apertur einer herkömmlichen Antennenanordnung nachbilden. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Apertur, bei der, wie vorher schon erwähnt, jede einzelne Sendeantenne mit jeder einzelnen Empfangsantenne des gesamten Antennenarrays kombiniert wird, reduziert sich die Anzahl der Kombinationen durch die Verwendung von Konfigurationsgruppen. Wird beispielsweise eine Konfigurationsgruppe 111, siehe 8, aus drei bzw. vier Sendeclustern 105 und einem Empfangscluster 104 konfiguriert, so wird eine Gruppenapertur 103´´´´ aufgespannt, die die Fläche des Sendeclusters 104 überdeckt und sich jeweils bis zum Rand der benachbarten Sendecluster erstreckt. Die gesamte Fläche der Antennenanordnung bzw. deren Apertur kann durch Konfigurationsgruppen 111 nachgebildet werden, wobei jeweils eine Konfigurationsgruppe 111 für jedes Antennencluster 101 der Antennenanordnung konfiguriert wird.
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Bei einer herkömmlichen Messung zwischen allen Sende- und Empfangsantennen 11, 12 der Antennencluster 101 der Antennenanordnung 100, ergibt sich beispielsweise bei 24 Antennenclustern eine Auswertelast die einem Wert von 24 × 24 entspricht. Dagegen entspricht die Auswertelast bei Ausbildung der Apertur durch 24 Konfigurationsgruppen 111 lediglich einem Wert von 24 × 4. Somit reduziert sich die Auswertelast um den Faktor 6. Die Abbildungen, die aus den einzelnen Korrelationsgruppen rekonstruiert wurden, werden zu einer einzigen dreidimensionalen Abbildung zusammengefügt. Die reduzierte Anzahl von Messungen führt zu einem schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dabei lediglich der Kontrast einer rekonstruierten Abbildung vermindert wird, die Abbildungsqualität sich aber nicht signifikant verschlechtert.
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Beispielsweise kann eine Apertur der gesamten Antennenanordnung 100 auch aus Konfigurationsgruppen 109 mit jeweils sechs Empfangsclustern 104 und einem Sendecluster 105, das zwischen zwei Sendeclustern angeordnet ist, nachgebildet werden, siehe 9. Dabei ergibt sich eine Auswertelast von 24 × 6 statt 24 × 24, sodass die Auswertelast um den Faktor 4 reduziert wird.
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Die Apertur der gesamten Antennenanordnung 101 kann aber auch aus unterschiedlich geformten Konfigurationsgruppen bzw. deren Aperturen zusammengesetzt werden. Dabei ist es jedoch von Vorteil, auf eine gleichmäßige Auslastung der Konfigurationsgruppen zu achten, da die Auswertedauer der langsamsten Konfigurationsgruppe die Dauer der Gesamtbilderzeugung bestimmt. Die Auswertelast und damit Auswertedauer skaliert linear mit den zu berücksichtigenden Sende-Empfänger-Kombinationen, wie insbesondere aus den Exponenten der Formel des Back-Propagation-Algorithmus ersichtlich ist.
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Desweiteren ist es möglich, Konfigurationsgruppen zu bilden, bei denen die zugeordneten Antennencluster 101 nicht benachbart sind. Bei solchen Konfigurationsgruppen verringert sich insbesondere das Übersprechen zwischen den einzelnen Antennencluster 101.
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10 zeigt nun eine schematische Darstellung einer entsprechenden Messvorrichtung 120. Die Messvorrichtung 120 umfasst eine Antennenanordnung 121, eine Steuereinheit 122 sowie eine Auswerteeinheit 123. Die Antennenanordnung 121 ist mit der Steuereinheit 122 sowie der Auswerteeinheit 123 jeweils über eine elektrische Verbindung verbunden. Die Steuereinheit 122 ist ebenfalls mit der Auswerteeinheit 123 verbunden.
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Die Antennenanordnung 121 umfasst eine Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen, die jeweils in Antennencluster 101 gruppiert sind. Bevorzugt weisen die Antennencluster 101 eine Anordnung der Sende- und Empfangsantennen entsprechend den Ausführungsbeispielen für Antennencluster 20, 30, 40, 50, 60 auf. Die Steuereinheit 122 ist derart ausgebildet, dass durch Zuordnen mehrerer Antennencluster eine Konfigurationsgruppe erstellbar ist. Die Steuereinheit 122 ist derart ausgebildet, dass darauf folgend eine Teilmenge der Antennencluster 101 der Konfigurationsgruppe als Sendecluster 105 durch Aktivieren der Sendeantennen konfigurierbar ist und eine Teilmenge der Antennencluster 101 der Konfigurationsgruppe als Empfangscluster 104 durch Aktivieren der Empfangsantennen konfigurierbar ist.
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Die Auswerteeinheit umfasst Prozessoren und/oder digitale Signalprozessoren, die es ermöglichen, die von allen Sendeantennen aller Sendecluster 105 der Konfigurationsgruppe ausgestrahlten und an jeder Empfangsantenne der Empfangscluster 104 der Konfigurationsgruppe empfangenen Mikrowellensignale zu messen und auszuwerten. Die Auswertung beinhaltet dabei die Rekonstruktion einer Abbildung des zu untersuchenden Objekts anhand der Messdaten z. B. durch einen Back-Propagation-Algorithmus. Die gemessenen Mikrowellensignale werden dabei den Raumpunkten eines vorbestimmten Raumbereichs mit immer gleichen Raumpunkten zugeordnet.
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Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und z.B. auch bei anderen Antennenkonfigurationen zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005145 A1 [0003]
