DE102014106892B3 - Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) and Method for Detecting Impurities in a Material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Inverses Synthetisches Apertur Radar (ISAR) und ein Verfahren zur Erfassung von Verunreinigungen (101) in einem Material (102), insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Zucker, das sich durch ein interessierendes Messvolumen (VOI) bewegt. Das Synthetisches Apertur Radar (ISAR) umfasst: einen Radarsender (103) zum Aussenden von Radarsignalen auf das Messvolumen (VOI), einen ersten Radarempfänger (104) und einen zweiten Radarempfänger (105) zum Empfang der in dem Messvolumen (VOI) gestreuten Radarsignale, wobei der Radarsender (103), der erste (104) und der zweite (105) Radarempfänger derart um das interessierende Messvolumen (VOI) angeordnet sind, dass der erste Radarempfänger (104) einen gestreuten Anteil der Radarsignale aus dem Messvolumen (VOI) mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 0° ± 30 ° oder 0° ± 20 ° oder 0° ± 10 ° und der zweite Radarsempfänger (105) einen gestreuten Anteil der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen (VOI) empfängt, eine Steuereinheit (106) zur Steuerung des Radarsenders (103), des ersten (104) und des zweiten (105) Radarempfängers, und eine Auswerteeinheit (107) zur Ermittlung eines Vorhandeneins einer Verunreinigung im Material (102) auf Basis einer Auswertung der von den Radarempfängern (104, 105) empfangenen gestreuten Radarsignale.The invention relates to an inverse synthetic aperture radar (ISAR) and a method for detecting impurities (101) in a material (102), in particular in bulk, in particular in sugar, which moves through a measuring volume of interest (VOI). The Synthetic Aperture Radar (ISAR) comprises: a radar transmitter (103) for transmitting radar signals to the measurement volume (VOI), a first radar receiver (104) and a second radar receiver (105) for receiving the radar signals scattered in the measurement volume (VOI), wherein the radar transmitter (103), the first (104) and the second (105) Radarempfänger are arranged around the volume of interest (VOI) such that the first Radarempfänger (104) a scattered portion of the radar signals from the measuring volume (VOI) with a Scattering angle in a range of 0 ° ± 30 ° or 0 ° ± 20 ° or 0 ° ± 10 ° and the second radar receiver (105) a scattered proportion of the radar signals with a scattering angle in a range of 90 ° ± 30 ° or 90 ° ± 20 ° or 90 ° ± 10 ° from the measurement volume (VOI), a control unit (106) for controlling the radar transmitter (103), the first (104) and the second (105) radar receiver, and an evaluation unit (107) for detection one There is one contaminant in the material (102) based on an evaluation of the scattered radar signals received by the radar receivers (104, 105).
Description
Die Erfindung betrifft ein Inverses Synthetisches Apertur Radar (ISAR) und ein Verfahren zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Lebensmittel-Schüttgut wie Zucker, Mais, Reis, Mehl, Getreide, Kartoffeln etc., das sich durch ein interessierendes Messvolumen (VOI) bewegt. Das ISAR wird heute beispielsweise in der Beobachtung von erdnahen Weltraumobjekten eingesetzt, um dort zweidimensionale Radarbilder von Satelliten oder anderen Objekten mit einer derartigen Qualität zu erhalten, dass eine Zielidentifizierung ermöglicht wird. The invention relates to an inverse synthetic aperture radar (ISAR) and a method for detecting impurities in a material, in particular in bulk, in particular in bulk food such as sugar, corn, rice, flour, cereals, potatoes, etc., which is characterized by measuring volume of interest (VOI) moves. The ISAR is used today, for example, in the observation of near-earth space objects in order to obtain there two-dimensional radar images of satellites or other objects with such a quality that a target identification is made possible.
Der Erfindung liegt folgende Problematik zugrunde. Bei Schüttgütern, insbesondere bei Lebensmittel-Schüttgütern (Zucker, Mais, Reis, Mehl, Getreide, Kartoffeln etc.) ist eine hohe Reinheit, d.h. eine minimale Verschmutzung durch Fremdpartikel, am Ende der Produktionskette erforderlich. Je nach Materialien und Beschaffenheit des Schüttguts ist eine Detektion solcher Fremdpartikel schwierig. Optische und infrarotbasierte Verfahren scheiden meist aus, da diese eine gewisse Transparenz des Schüttguts während des Messvorgangs für diese Wellenlängen notwendig machen, was meist nicht gegeben ist. Ultraschall- bzw. Schallmessverfahren erfahren Schwierigkeiten darin, die notwendige räumliche Auflösung zu erzielen, und sie können leicht durch Störgeräusche beim aktuellen Produktions- bzw. Transportprozess des Schüttguts unbrauchbar gemacht werden. Ferner ist ihre Reichweite je nach akustischer Wellenlänge und Schüttgutmaterial begrenzt. Röntgentechnische Verfahren sind mit hohen Sicherheitsmaßnahmen beim Betrieb (Sicherheitsabstand, Schirmung) und langen Messzeiten verbunden, so dass sie in einer industriellen Produktionsumgebung weniger leicht einsetzbar sind. Magnetische Aussiebverfahren funktionieren nur für ferromagnetische Fremdpartikel. Massensensitive Aussiebeverfahren (z.B. Absetzen durch Rütteln, Zentrifugieren) erfordern einen hohen Zusatzaufwand und sind uneffektiv, wenn Fremdpartikel und Schüttgutpartikel eine ähnliche Masse aufweisen. Ferner ist meist wünschenswert, ein Detektionsverfahren in bestehenden Produktionseinrichtungen ohne immensen Zusatzaufwand durch Umbaumaßnahmen einzusetzen. The invention is based on the following problem. In the case of bulk solids, in particular food bulk solids (sugar, corn, rice, flour, cereals, potatoes, etc.), high purity, i. Minimal contamination by foreign particles, required at the end of the production chain. Depending on the materials and nature of the bulk material, detection of such foreign particles is difficult. Optical and infrared-based processes tend to be ruled out, since they make a certain transparency of the bulk material necessary during the measuring process for these wavelengths, which is usually not the case. Ultrasonic and acoustic measurement methods are experiencing difficulties in achieving the necessary spatial resolution, and they can easily be rendered unusable by noise in the current production or transport process of the bulk material. Furthermore, their range is limited depending on the acoustic wavelength and bulk material. X-ray techniques involve high safety measures during operation (safety distance, shielding) and long measurement times, making them less easy to use in an industrial production environment. Magnetic screening methods only work for ferromagnetic foreign particles. Mass-selective sieving methods (e.g., settling by shaking, centrifuging) require a high overhead and are ineffective when foreign particles and bulk particles have a similar mass. Furthermore, it is usually desirable to use a detection method in existing production facilities without immense additional effort by conversion measures.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die in der Lage sind zuverlässig und soweit möglich, ohne die vorstehend genannten Nachteile aufzuweisen, Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Zucker zu ermöglichen.The invention has for its object to provide an apparatus and a method which are able to reliably and as far as possible, without having the disadvantages mentioned above, to allow impurities in a material, especially in bulk, especially in sugar.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Die Erfinder haben zunächst erkannt, dass Mikrowellenmessverfahren sich zur Lösung dieser Aufgabe anbieten. Mikrowellen können je nach Frequenzbereich sehr gut viele dielektrische Materialien durchdringen, so auch eine Vielzahl üblicher Schüttgüter (z.B. Gesteine, Kunststoffe, Lebensmittelprodukte, etc.). Ebenfalls ist je nach Messverfahren und Frequenzbereich eine sehr hohe räumliche Auflösung erzielbar und die Messdauern sind durch moderne Elektronik ausreichend kurz zu halten. Mikrowellen sind nicht ionisierend, so dass sie ohne gesundheitliche Risiken überall in einem Produktionsprozess einsetzbar sind, da zusätzlich auch mit geringsten Leistungen gearbeitet werden kann. Mikrowellen können mit entsprechenden Messverfahren sehr gut dielektrische Unterschiede detektieren, so dass ein Fremdkörper detektierbar ist, sobald er sich dielektrisch vom Schüttgutmaterial hinreichend abgrenzt, was in den meisten Fällen zutreffend ist. Insbesondere auf metallische Fremdkörper jeglicher Materialart sind Mikrowellenmessverfahren sensitiv. The inventors have first recognized that microwave measurement methods offer themselves to solve this problem. Microwaves can very well penetrate many dielectric materials depending on the frequency range, as well as a variety of common bulk materials (e.g., rocks, plastics, food products, etc.). Also, depending on the measurement method and frequency range, a very high spatial resolution can be achieved and the measurement times are kept sufficiently short by modern electronics. Microwaves are not ionizing, so they can be used anywhere in a production process without any health risks, as they can also work with the lowest possible output. Microwaves can detect very well dielectric differences with appropriate measuring methods, so that a foreign body is detectable as soon as it is dielectrically separated from the bulk material sufficiently, which is in most cases correct. Microwave measuring methods are particularly sensitive to metallic foreign bodies of any material type.
Zur Lösung der Aufgabe wird daher ein Inverses Synthetisches Apertur Radar (ISAR) zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Zucker, das sich durch ein interessierendes Messvolumen VOI bewegt, vorgeschlagen. Das vorgeschlagene ISAR umfasst einen Radarsender zum Aussenden von Radarsignalen auf das Messvolumen VOI, einen ersten Radarempfänger und einen zweiten Radarempfänger zum Empfang der in dem Messvolumen VOI gestreuten Radarsignale, wobei der Radarsender, der erste und der zweite Radarempfänger derart um das interessierende Messvolumen VOI angeordnet sind, dass der erste Radarempfänger einen (im Wesentlichen rückwärts parallel zur Senderichtung) gestreuten Anteil der Radarsignale aus dem Messvolumen VOI mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 0° ± 30 ° oder 0° ± 20 ° oder 0° ± 10 ° und der zweite Radarempfänger einen (im Wesentlichen senkrecht) gestreuten Anteil der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen (VOI) empfängt. Durch die beiden Streuwinkel um 0° und um 90° werden andersgeartete Streuprozesse erfasst, so dass dadurch ein entscheidender Detektions- und Informationsgewinn entsteht. Weiterhin umfasst das ISAR eine Steuereinheit zur Steuerung des Radarsenders, des ersten und des zweiten Radarempfängers, und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Vorhandenseins einer Verunreinigung im Material auf Basis einer Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale. Die Verunreinigungen werden als detektierbare Objekte (bspw. Partikel etc.) angenommen. To achieve the object, therefore, an inverse synthetic aperture radar (ISAR) is proposed for detecting impurities in a material, in particular in bulk material, in particular in sugar, which moves through a measuring volume of interest VOI. The proposed ISAR comprises a radar transmitter for transmitting radar signals to the measurement volume VOI, a first radar receiver and a second radar receiver for receiving the radar signals scattered in the measurement volume VOI, the radar transmitter, the first and the second radar receiver being arranged around the measurement volume VOI of interest in that the first radar receiver has a portion of the radar signals scattered (substantially backwards parallel to the transmission direction) from the measurement volume VOI with a scattering angle in a range of 0 ° ± 30 ° or 0 ° ± 20 ° or 0 ° ± 10 ° and the second radar receiver receives a (substantially perpendicular) scattered portion of the radar signals having a scattering angle in a range of 90 ° ± 30 ° or 90 ° ± 20 ° or 90 ° ± 10 ° from the measurement volume (VOI). Due to the two scattering angles around 0 ° and around 90 °, different types of scattering processes are detected, resulting in a decisive increase in detection and information. Furthermore, the ISAR comprises a control unit for controlling the radar transmitter, the first and the second radar receiver, and an evaluation unit for detecting a presence of an impurity in the material on the basis of an evaluation of the scattered radar signals received by the radar receivers. The impurities are assumed to be detectable objects (eg particles, etc.).
Das durch das Messvolumen bewegte oder sich bewegende Material wird somit zur Erfassung der Verunreinigungen im Material mit Radarstrahlung beaufschlagt. Die durch die Wechselwirkung der Radarstrahlung mit dem Material bzw. mit den darin enthaltenen Verunreinigungen entstehende Streustrahlung wird unter den beschriebenen Streuwinkeln erfasst und ausgewertet. Die zum Sendesignal kohärente Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen Streustrahlungssignale (Prinzip der synthetischen Apertur) erlaubt die Ermittlung von individuellen Verunreinigungen, was nachfolgend noch näher ausgeführt wird. The moving or moving material through the measuring volume is thus exposed to detect the impurities in the material with radar radiation. The scattered radiation resulting from the interaction of the radar radiation with the material or with the impurities contained therein is detected and evaluated under the described scattering angles. The coherent evaluation of the transmission signal received by the radar receivers scattered radiation signals (principle of the synthetic aperture) allows the determination of individual impurities, which will be explained in more detail below.
Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR zeichnet sich dadurch aus, dass ein dritter Radarempfänger zum Empfang eines (im Wesentlichen vorwärts) gestreuten Anteils der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 180 ° ± 30 ° oder 180 ° ± 20 ° oder 180 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen VOI angeordnet ist. Damit wird die erfasste Datenmenge durch andersgeartete Streuprozesse erhöht, was eine genauere und zuverlässigere Aussage über im Material enthaltene Verunreinigungen ermöglicht. A development of the proposed inverse synthetic aperture radar ISAR is characterized in that a third radar receiver for receiving a (substantially forward) scattered portion of the radar signals with a scattering angle in a range of 180 ° ± 30 ° or 180 ° ± 20 ° or 180 ° ± 10 ° from the measuring volume VOI is arranged. As a result, the recorded data volume is increased by different types of scattering processes, which allows a more accurate and reliable statement about impurities contained in the material.
Die Angaben zu den Streuwinkeln beziehen sich dabei jeweils auf die Hauptstrahlrichtung der von dem Radarsender ausgesandten Radarsignale. The information on the scattering angles relate in each case to the main radiation direction of the radar signals emitted by the radar transmitter.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR umfasst ein Förderband, das das Material mit der Verunreinigung durch das interessierende Messvolumen VOI bewegt oder ein Rohr durch das sich das Material mit der Verunreinigung durch das interessierende Messvolumen VOI bewegt. Beide Varianten ermöglichen den Aufbau des ISAR als Modul, das in bestehende Anlagen, die bspw. das Material auf einem Förderband bewegen oder bei denen das Material bspw. durch ein Fallrohr fällt, leicht zu integrieren sind. Natürlich muss hierzu das ISAR für das Förderband bzw. das Rohr beidseitig eine entsprechende Schnittstelle zur Integration in eine bestehende Anlage aufweisen. Somit ist es möglich das vorgeschlagene ISAR einfach und ohne großen Zusatzaufwand und mit identischer Qualität bei Mehrfacheinsatz in bestehende Produktionssysteme zu integrieren. Die vorzugsweise große räumliche Nähe der Sensorik (Radarsender/ Radarempfänger) zum Schüttgut erlaubt eine kompakte Bauweise eines solchen Moduls, das mit bspw. zu einer Förderanlage passenden Schnittstellen versehen ist. An advantageous development of the inverse synthetic aperture radar ISAR comprises a conveyor belt which moves the material with the contamination through the measurement volume VOI of interest or a tube through which the material moves with the contamination by the measurement volume VOI of interest. Both variants make it possible to construct the ISAR as a module, which can be easily integrated into existing installations which, for example, move the material on a conveyor belt or in which the material falls through a downpipe, for example. Of course, for this purpose, the ISAR for the conveyor belt or the pipe must have on both sides a corresponding interface for integration into an existing system. This makes it possible to integrate the proposed ISAR into existing production systems simply and without great additional effort and with identical quality for multiple use. The preferably large spatial proximity of the sensor (radar transmitter / radar receiver) to the bulk material allows a compact design of such a module, which is provided with, for example, to a conveyor system matching interfaces.
Vorteilhaft wird bei dem vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radar ISAR das Material in einer Richtung durch das interessierende Messvolumen VOI bewegt, die einen Winkel im Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 ° oder vorzugsweise 90 ° mit einer Zentralrichtung der vom Radarsender ausgestrahlten Radarsignale einschließt. Advantageously, in the proposed Inverse Synthetic Aperture Radar ISAR, the material is moved in one direction through the measurement volume of interest VOI having an angle in the range of 90 ° ± 30 ° or 90 ° ± 20 ° or 90 ° ± 10 ° or preferably 90 ° a central direction of radar signals radiated from the radar transmitter.
Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR weist mehrere erste Radarempfänger zum Empfang jeweils eines (rückwärts) gestreuten Anteils der Radarsignale mit einem Streuwinkel im Bereich von 0° ± 30 ° oder 0° ± 20 ° oder 0 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen VOI auf. Alternativ oder zusätzlich weist das ISAR mehrere zweite Radarempfänger zum Empfang jeweils eines (senkrecht) gestreuten Anteils der Radarsignale mit einem Streuwinkel im Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 ° oder 90 ° aus dem Messvolumen (VOI) auf. Die weiteren Empfänger ermöglichen die Erfassung von 3D-Radardaten, die ihrerseits eine genauere Erfassung der Geometrie sowie der Position einer in den 3D-Radardaten abgebildeten Verschmutzung erlauben. A development of the proposed inverse synthetic aperture radar ISAR has a plurality of first radar receivers for receiving in each case one (back) scattered portion of the radar signals with a scattering angle in the range of 0 ° ± 30 ° or 0 ° ± 20 ° or 0 ° ± 10 ° from the measurement volume VOI on. Alternatively or additionally, the ISAR has a plurality of second radar receivers for receiving one (vertically) scattered portion of the radar signals with a scattering angle in the range of 90 ° ± 30 ° or 90 ° ± 20 ° or 90 ° ± 10 ° or 90 ° from the measurement volume ( VOI). The other receivers enable the acquisition of 3D radar data, which in turn allows a more accurate detection of the geometry as well as the position of a pollution imaged in the 3D radar data.
Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR weist mehrere Radarsender (d.h. zumindest zwei oder mehr Radarsender) auf, die jeweils zum Aussenden von Radarsignalen auf das Messvolumen VOI angeordnet sind. Vorteilhaft senden diese Radarsender orthogonale Radarsignale aus, so dass eine eindeutige Zuordnung von Streusignalen zu jedem Radarsender möglich ist. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn man simultan mit allen Radarsendern im gleichen Frequenzband arbeiten will und aber alle vollkommen unabhängig ausgewertet werden sollen. A further development of the proposed inverse synthetic aperture radar ISAR comprises a plurality of radar transmitters (i.e., at least two or more radar transmitters) each arranged to transmit radar signals to the measurement volume VOI. Advantageously, these radar transmitters radiate orthogonal radar signals, so that a clear assignment of stray signals to each radar transmitter is possible. This is particularly helpful if you want to work simultaneously with all radar transmitters in the same frequency band and all should be evaluated completely independently.
Alternativ können mehrere oder alle Radarsender nicht-orthogonale aber kohärente Radarsignale aussenden. Dabei kann man bei kohärenten Radarsignalen bspw. über die einzelnen Sendeantennen zusammen ein schärferes schwenkbares Antennendiagramm erzeugen (bspw. Phased-Array). Denkbar wäre auch eine Kombination aus orthogonalen und nicht-orthogonalen Radarsignalen bspw. im Zeitmultiplex für eine Messung, um kurzzeitig das Signal-Rauch-Verhältnis durch Schärfung des Antennendiagramms (Erhöhung des Antennengewinns) aufzubessern. Alternatively, multiple or all of the radars may emit non-orthogonal but coherent radar signals. In the case of coherent radar signals, for example, a sharper, pivotable antenna pattern can be generated together via the individual transmit antennas (eg, phased array). It would also be conceivable to use a combination of orthogonal and non-orthogonal radar signals, for example in the time multiplex for a measurement, in order to temporarily supplement the signal-to-smoke ratio by sharpening the antenna pattern (increase of the antenna gain).
Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit auf Basis der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale neben der Detektion zur Ermittlung der Position einer Verunreinigung im Material ausgeführt. The evaluation unit is advantageously designed on the basis of the scattered radar signals received by the radar receivers in addition to the detection for determining the position of an impurity in the material.
Weiterhin vorteilhaft ist die Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis der von den Radarempfängern empfangenen Radarsignalen ein 2D- oder 3D-Datensatz erzeugt wird, bei dem jedes Pixel/Voxel zumindest eine Streuamplitude angibt, in dem 2D- oder 3D-Datensatz Cluster C ermittelt werden, deren Pixel/Voxel Streuamplituden aufweisen, die innerhalb vorgegebener Bereichsgrenzen liegen, diejenigen Cluster CG1 ermittelt werden, deren Pixel/Voxel Streuamplituden aufweisen, die größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 sind, und individuelle Verunreinigungen anhand der Form und/oder der Größe der Cluster CG1 ermittelt werden. Ein Cluster ist vorliegend ein zusammenhängender Bereich des 2D- oder 3D-Datensatzes, dessen Streuamplituden alle in einem Bereich, definiert durch eine untere und eine obere Bereichsgrenze, liegen. Furthermore, the evaluation unit is advantageously designed and set up such that a 2D or 3D data record is generated on the basis of the radar signals received by the radar receivers, in which each pixel / voxel indicates at least one scattering amplitude in the 2D or 3D data set cluster C are determined whose pixels / voxels have scatter amplitudes which are within predetermined range limits, those clusters C G1 are determined whose pixels / voxels have scatter amplitudes which are greater than a predetermined limit G1, and individual impurities based on the shape and / or the size the cluster C G1 are determined. In the present case, a cluster is a contiguous region of the 2D or 3D data set whose scatter amplitudes are all within a range defined by a lower and an upper range limit.
Der Frequenzbereich der von dem/den Radarsende/n ausgesandten Radarsignale ist bevorzugt aus einem oder mehreren der Frequenzbereiche: L-Band, S-Band, C-Band, X-Band, Ku-Band, K-Band, Ka-Band, V-Band, W-Band oder im G-Band, einstellbar, wobei die Radarsignale eine relative Bandbreite: ∆f/f0 von 1–50 % oder 10%–50 % oder 20%–50 % oder 30 %–50 % oder 20%–40% aufweisen, wobei f0 die mittlere Frequenz der Radarsignale ist. Die Bandbezeichnungen folgen dabei durchgehend dem IEEE-Standard (wobei G-Band dem Bereich 110–300 GHz entspricht). The frequency range of the radar signals emitted by the radar transmitter (s) is preferably one or more of the frequency ranges: L-band, S-band, C-band, X-band, Ku-band, K-band, Ka-band, V Band, W band or G band, adjustable, the radar signals having a relative bandwidth: Δf / f 0 of 1-50% or 10% -50% or 20% -50% or 30% -50% or 20% -40%, where f 0 is the average frequency of the radar signals. The band designations follow the IEEE standard (where G band corresponds to the range 110-300 GHz).
Eine technisch und anwendungsspezifisch bevorzugte und auch an die Radarbänder angepasste Staffelung der relativen Bandbreite ist folgende, bei der die Entfernungsauflösung des Radars (dr = c0/(2B) nie schlechter als 15 cm ist, und im besten Fall bis zu 5 mm betragen kann: L-Band: 67%, S-Band: 33–67%, C-Band: 17–67%, X-Band: 10–40%, Ku-Band: 7–40%, K-Band: 4–40%, Ka-Band: 3–40%, V-Band 2–50%, und W-Band: 1–40%. Natürlich kann auch bänderübergreifend gearbeitet werden, so dass sich die minimale und maximale Bandbreite ggf. stark ändert (bspw. eine Kombination aus L- und S-Band: 40–120% oder eine Kombination aus L-, S-, und C-Band: 22–155%. Im G-Band ist auch bei üblicherweise verminderter Eindringtiefe eine Entfernungsauflösung bis zu 1 mm erreichbar (z.B. Δf/f0 = 67%). A technically and application specific preferred and also adapted to the radar bands graduation of the relative bandwidth is the following, in which the distance resolution of the radar (d r = c 0 / (2B) is never worse than 15 cm, and in the best case up to 5 mm can: L-band: 67%, S-band: 33-67%, C-band: 17-67%, X-band: 10-40%, Ku-band: 7-40%, K-band: 4 -40%, Ka-band: 3-40%, V-band 2-50%, and W-band: 1-40% Of course, you can also work across bands, so that the minimum and maximum bandwidth may change significantly (For example, a combination of L and S band: 40-120% or a combination of L, S, and C band: 22-155%.) In the G band, even with usually reduced penetration depth, a range resolution is up to reachable to 1 mm (eg Δf / f 0 = 67%).
Bei einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR ist die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis der Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale eine rein signalverarbeitungsgestützte Anpassung einer Richtcharakteristik der Radarempfänger zur Fokussierung auf einen Bereich in dem eine Verunreinigung ermittelt wurde erfolgt. Dies erfolgt insbesondere im Rahmen einer digitalen Strahlformung. In a further development of the proposed inverse synthetic aperture radar ISAR, the control unit is embodied and configured in such a way that, based on the evaluation of the radar signals received by the radar receivers, a purely signal processing-based adaptation of a directional characteristic of the radar receivers to focus on an area in which an impurity has been determined , This is done in particular in the context of digital beamforming.
Der vom Radarsender vorteilhaft verwendete Frequenzbereich richtet sich insbesondere nach der Schüttgutdämpfung. Eine grobe Einteilung für eine maximal nutzbare Radarfrequenz ist für den Fall, dass übliche Dielektrika mit einem Realteil der Permittivität < 10 und einer maximalen rein materialbedingten Zweiwegdämpfung von 20 dB angenommen werden, der folgenden Tabelle zu entnehmen.
Der Imaginärteil der Permittivität ist ein Maß für die Dämpfung eines Dielektrikums (je größer der Wert, desto größer die Dämpfung). Als Beispiel dafür: Wasser kann je nach hier betrachteter Frequenz Werte bis zu 20 haben, Kunststoffe haben üblicherweise eher frequenzunabhängige Werte im Bereich 0,01...0,0001. Weitere Werte sind dem Fachmann leicht (nur zur Info: das ist leider nicht so) zugänglich. The imaginary part of the permittivity is a measure of the damping of a dielectric (the larger the value, the greater the damping). As an example, water can have values up to 20, depending on the frequency considered here. Plastics usually have frequency-independent values in the range 0.01 ... 0.0001. Other values are easily accessible to the person skilled in the art (only for information: unfortunately this is not the case).
Bei einem Signalweg von Radarsender-Messvolumen-Radarempfänger von < 2 m kann mit einem CW-Radar (CW = „Continuous Wave“) gearbeitet werden (bspw. mit einem frequenzmodulierten CW-Radarsender), während bei Signalwegen > 2 m vorzugsweise mit einem Pulsradar gearbeitet wird, dessen Pulsamplitude ebenfalls zusätzlich moduliert sein kann. For a signal path of radar transmitter volume radar receiver of <2 m, it is possible to work with a CW (continuous wave) radar (for example with a frequency-modulated CW radar transmitter), while with signal paths> 2 m, preferably with a pulse radar is worked, the pulse amplitude can also be modulated in addition.
Sofern von der Auswerteeinheit das Vorliegen einer Verunreinigung erkannt wurde, wird von der Auswerteeinheit in einer Weiterbildung zumindest ein Steuersignal erzeugt, dass einen steuerbaren Mechanismus zum Aussortieren bzw. zum Entfernen der erkannten Verunreinigung, aktiviert. If the presence of an impurity has been detected by the evaluation unit, at least one control signal is generated by the evaluation unit in a development that activates a controllable mechanism for sorting out or removing the identified contamination.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Zucker, das sich durch ein interessierendes Messvolumen (VOI) bewegt mittels eines Inversen Synthetischen Apertur Radars (ISAR), bei dem von einem Radarsender Radarsignale auf das Messvolumen VOI ausgesendet werden, ein erster Radarempfänger und ein zweiter Radarempfänger in dem Messvolumen VOI gestreute Radarsignale empfangen, wobei der Radarsender, der erste und der zweite Radarempfänger derart um das interessierende Messvolumen VOI angeordnet sind, dass der erste Radarempfänger einen (rückwärts) gestreuten Anteil der Radarsignale aus dem Messvolumen VOI mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 0° ± 30 ° oder 0° ± 20 ° oder 0° ± 10 ° und der zweite Radarempfänger einen senkrecht gestreuten Anteil der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen VOI empfängt, eine Steuereinheit den Radarsender, den ersten und den zweiten Radarempfänger steuert, und eine Auswerteeinheit das Vorhandensein einer Verunreinigung im Material auf Basis einer Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale ermittelt. The invention furthermore relates to a method for detecting impurities in a material, in particular in bulk material, in particular in sugar, which moves through a measuring volume of interest (VOI) by means of an inverse synthetic aperture radar (ISAR), in which radar signals are radiated onto the sensor by a radar transmitter A first radar receiver and a second radar receiver in the measurement volume VOI receive scattered radar signals, wherein the radar transmitter, the first and the second radar receiver are arranged around the volume of interest VOI such that the first radar receiver a (back) scattered proportion of Radar signals from the measurement volume VOI with a scattering angle in a range of 0 ° ± 30 ° or 0 ° ± 20 ° or 0 ° ± 10 ° and the second radar receiver a vertically scattered proportion of the radar signals with a scattering angle in a range of 90 ° ± 30 ° or 90 ° ± 20 ° or 90 ° ± 10 ° from the Messvo A control unit controls the radar transmitter, the first and the second radar receiver, and an evaluation unit determines the presence of an impurity in the material on the basis of an evaluation of the scattered radar signals received by the radar receivers.
Das Verfahren ermöglicht somit die Detektion von Fremdkörpern (Verunreinigungen) insbesondere in Schüttgütern durch ein ISAR, das in mono-, bi- oder multistatischer Messkonfiguration zwei- oder dreidimensionale Radarbilder erzeugt und deren automatische Auswertung vollzieht. Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren ein Radarsender und drei Radarempfänger in einer bistatischen Anordnung mit den bistatischen Winkeln Ψ um 0°, Ψ um 90° und Ψ um 180° verwendet. Auch mehrere Radarsender und eine andere Anzahl von Empfängern sind möglich. The method thus makes it possible to detect foreign bodies (contaminants), in particular in bulk solids, by means of an ISAR which generates two-dimensional or three-dimensional radar images in a mono-, bi- or multistatic measurement configuration and carries out their automatic evaluation. Preferably, in the proposed method a radar transmitter and three radar receivers are used in a bistatic arrangement with the bistatic angles Ψ around 0 °, Ψ around 90 ° and Ψ around 180 °. Also several radar transmitters and a different number of receivers are possible.
Vorzugsweise wird eine hinreichend große Signalbandbreite der Radarsignale sowie ein hinreichend großer Ausleuchtbereich der Radarantennen in Azimutrichtung verwendet, damit durch eine hinreichend große räumliche Auflösung auch kleine Objekte in Bezug zur mittleren Wellenlänge der Radarstrahlung noch hinreichend von Hintergrundsignalen unterschieden werden können. Preferably, a sufficiently large signal bandwidth of the radar signals and a sufficiently large footprint of the radar antennas in the azimuth direction is used, so that even small objects with respect to the mean wavelength of the radar radiation can still sufficiently be distinguished from background signals by a sufficiently large spatial resolution.
Vorzugsweise wird das zu nutzende Frequenzband des Radarsenders an die jeweilige Anwendung und das zu durchdringende Schüttgut angepasst. Für hohe Auflösungen von wenigen Millimetern und darunter sowie für geringe Dämpfungseigenschaften des Schüttguts werden vorzugsweise Radarsignale im Millimeter- und Submillimeterbereich verwendet. Bei geringeren Ansprüchen zur Auflösung und bei höherer Dämpfung des Schüttguts sind vorzugsweise Mikrowellen im GHz-Bereich zu nutzen. Preferably, the frequency band of the radar transmitter to be used is adapted to the respective application and the bulk material to be penetrated. For high resolutions of a few millimeters and below as well as for low damping properties of the bulk material, radar signals in the millimeter and submillimeter range are preferably used. With lower requirements for the resolution and higher damping of the bulk material, it is preferable to use microwaves in the GHz range.
Bei Verwendung mehrerer Radarempfänger (jeweils mit Empfangsantenne), werden diese vorzugsweise in z-Richtung in geeigneten unterschiedlichen Abständen angeordnet, so dass eine dreidimensionale Radarabbildung ermöglicht wird, welche eine verbesserte Detektion und eine genauere Lokalisierung eines Fremdkörpers insbesondere auch in z-Richtung zulässt. When using a plurality of radar receivers (each with receiving antenna), these are preferably arranged in the z-direction at appropriate different distances, so that a three-dimensional radar image is made possible, which allows improved detection and a more accurate localization of a foreign body, especially in the z-direction.
Vorzugsweise werden bei dem Verfahren mehrere Radarsender verwendet. Vorzugsweise erzeugen diese bei gleichzeitigem Betrieb orthogonale Radarsignale, um eine eindeutige Trennung der Signale in jedem Empfangszweig vornehmen zu können. Die zusätzlichen Bilder jeder Sender-Empfänger-Kombination liefern unabhängige Informationen, was die Detektierbarkeit von Verschmutzung und eine Mehrdeutigkeitsunterdrückung verbessert. Preferably, multiple radar transmitters are used in the method. Preferably, these generate orthogonal radar signals during simultaneous operation in order to be able to make a clear separation of the signals in each reception branch. Provide the additional images of each transmitter-receiver combination independent information, which improves the detectability of soiling and ambiguity suppression.
Bei simultaner und kohärenter Abtastung der einzelnen Empfangszweige im Zeitbereich ist empfangsseitig eine digitale Strahlformung möglich. Dazu werden vorzugsweise die Antennen der Radarempfänger in Azimutrichtung in geeigneten Abständen angeordnet, was alleine durch Signalverarbeitung eine nachträgliche Veränderung der empfangsseitigen Ausleuchteigenschaften und damit eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses sowie der Mehrdeutigkeitsunterdrückung erlaubt. With simultaneous and coherent scanning of the individual reception branches in the time domain, digital beamforming is possible on the reception side. For this purpose, the antennas of the radar receiver are preferably arranged in the azimuth direction at suitable intervals, which alone by signal processing allows a subsequent change in the reception-side illumination characteristics and thus an improvement of the signal-to-noise ratio and the ambiguity suppression.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren als Signalform der Radarsignale bei kurzen Abständen der Radarsender/empfänger zum Schüttgut bzw. zum Messvolumen mit modulierten CW-Signalen (CW = Continuous Wave) und bei größeren Abständen mit zusätzlich modulierten Pulssignalen gearbeitet. Als Modulationsformen werden vorzugsweise lineare Frequenzmodulation, Rauschen oder per Phasenumtastung kodierte Signale verwendet. Preferably, in the method as a waveform of the radar signals at short distances of the radar transmitter / receiver to the bulk material or to the measurement volume with modulated CW signals (CW = Continuous Wave) and worked at longer distances with additionally modulated pulse signals. As modulation forms preferably linear frequency modulation, noise or phase shift keyed signals are used.
Zur Auswertung der von den Radarempfängern erfassten gestreuten Radarsignale bzw. zur Radar-Bildgenerierung jeder Sender-Empfänger-Kombination bzw. aus mehreren Kombinationen zusammen, werden vorzugsweise mit einem Rückprojektionsverfahren und etablierten Methoden der Bildverarbeitung qualitativ hochwertige Radarbilder erzeugt, die zur Objektdetektion und damit zur Detektion von Verschmutzung geeignet sind. For evaluating the scattered radar signals detected by the radar receivers or for radar image generation of each transmitter-receiver combination or of several combinations, preferably high-quality radar images are generated with a backprojection method and established methods of image processing, which are used for object detection and thus for detection are suitable for pollution.
Die bei der Auswertung der von den Radarempfängern erfassten gestreuten Radarsignale erzeugten 2D- oder 3D-Radarbilddatensätze werden vorzugsweise mit etablierten Verfahren der Objektdetektion ausgewertet um das Vorhandensein von Verschmutzung (Fremdkörpern) in einem Schüttgut mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit bei geringer Falschalarmwahrscheinlichkeit zu ermöglichen. Dabei ist vorzugsweise auch die Nutzung zeitlicher Bildsequenzen vorteilhaft, die beim Durchgang eines Fremdkörpers durch die synthetische Apertur während der Schüttgutbewegung entstehen. The 2D or 3D radar image data sets generated in the evaluation of the scattered radar signals detected by the radar receivers are preferably evaluated by established methods of object detection in order to enable the presence of contamination (foreign bodies) in a bulk material with a high probability of detection with a low false alarm probability. In this case, the use of temporal image sequences, which arise during the passage of a foreign body through the synthetic aperture during the bulk material movement, is also advantageous.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden nach einer Erkennung einer oder mehrerer Verschmutzung/en (Fremdkörper) im Schüttgut, diese vorteilhaft nach einer aus den bekannten Systemparametern (bspw. Geschwindigkeit des Förderbandes, etc.) bestimmten Zeit mit Hilfe eines vorzugsweise mechanischen Zugriffs entfernt. Diese Entnahme der/des Fremdkörper/s wird vorzugsweise in geringstem möglichen Abstand nach dem Messvolumen vorgenommen. In a development of the method, after detection of one or more contaminants (foreign bodies) in the bulk material, they are advantageously removed by means of a preferably mechanical access according to a time determined from the known system parameters (for example the speed of the conveyor belt, etc.). This removal of the foreign body / s is preferably carried out in the smallest possible distance after the measurement volume.
Vorzugsweise lässt sich das Verfahren sowie das ISAR auch zur Beurteilung der Fertigungsqualität von Bauteilen in Massenfertigung verwenden, wenn dieser Produktionsprozess eine ähnliche Transportstruktur wie das Schüttgutwesen aufweist. Preferably, the method and the ISAR can also be used to assess the manufacturing quality of components in mass production, if this production process has a similar transport structure as the bulk goods industry.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt: Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals. It shows:
Bei der Produktion von hochwertigem Kristallzucker, wie er für den Verzehr bereitgestellt wird, kommt es vor, dass trotz aufwändiger Kontrollmaßnahmen restliche Verunreinigungen in Form kleinster Partikel beigemengt sind. Diese Partikel haben eine Größe von typischerweise wenige Millimeter bis unter 1 mm und bestehen meist aus Metall-(Eisen) bzw. Eisenoxidteilchen (Rost) sowie Glas-, Kunststoff- oder Dichtungspartikeln, welche sich bei der Zuckerproduktion von den Fertigungsanlagen ablösen können. Auch Kleintiere wie Wespen oder Hummel lassen sich auffinden, die über kleinste Ritzen in den Gebäuden bzw. Türen oder Schleusen unvermeidbar Zugang zu den Herstellungsprozessen haben. Über mechanische Aussiebverfahren sowie den Einsatz von Permanentmagneten lassen sich zwar magnetische, aber bei Weitem nicht alle Verunreinigungen dieser Art beseitigen. Es besteht daher Interesse, den Reinheitsgrad des Zuckers deutlich zu erhöhen und damit die Qualität des Zuckerproduktes weiter zu steigern. Dabei soll nach Möglichkeit kein aufwändiger Eingriff in den bestehenden Herstellungsprozess notwendig sein, um die Herstellungskosten nicht unakzeptabel zu erhöhen. In the production of high-quality crystal sugar, as it is provided for consumption, it happens that, despite complex control measures remaining impurities are added in the form of very small particles. These particles have a size of typically a few millimeters to less than 1 mm and usually consist of metal (iron) or iron oxide particles (rust) as well as glass, plastic or sealing particles, which can detach from the production lines during sugar production. Even small animals such as wasps or bumblebees can be found, which inevitably have access to the manufacturing processes over the smallest cracks in the buildings or doors or locks. By mechanical Aussiebverfahren and the use of permanent magnets can be indeed remove magnetic, but by far not all contaminants of this kind. There is therefore interest in significantly increasing the purity of the sugar and thus further increasing the quality of the sugar product. It should be necessary, if possible, no complex intervention in the existing manufacturing process in order not to increase the cost of production unacceptable.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen ISAR lassen sich viele dieser Objekte im Zucker detektieren. Mikrowellen sind ferner in der Lage viele dielektrische (nichtmetallische) Materialien zu durchdringen, so dass auch die Detektion optisch verborgener Objekte möglich ist. Durch besondere Abbildungs- bzw. Radarmessverfahren kann ferner neben einer sehr hohen räumlichen Auflösung insbesondere eine hervorragende Empfindlichkeit erreicht werden, so dass bei entsprechender Wellenlänge bzw. Frequenz der verwendeten Strahlung auch kleinste Objekte detektierbar sind. Im vorliegenden Fall erscheinen Millimeterwellen am ehesten als zielführend, da ihre kleine Wellenlänge (wenige Millimeter bis 1 mm) in der Größenordnung der zu detektierenden Partikel liegt und somit entsprechend wahrnehmbare Radarechos zu erwarten sind. With the help of the proposed ISAR, many of these objects can be detected in sugar. Microwaves are also able to penetrate many dielectric (non-metallic) materials, so that the Detection of optically hidden objects is possible. In addition to a very high spatial resolution, in particular excellent sensitivity can be achieved by means of special imaging or radar measurement methods, so that even the smallest objects can be detected at the appropriate wavelength or frequency of the radiation used. In the present case, millimeter waves appear to be most expedient, since their small wavelength (a few millimeters to 1 mm) is of the order of magnitude of the particles to be detected, and accordingly correspondingly observable radar echoes are to be expected.
Eine wichtige Größe bei Mikrowellenmessungen ist die komplexe Permittivität oder auch Dielektrizitätszahl der bei der Messung einer Szenerie auftretenden Materialien. Permittivitätswerte können entweder bedingt aus der Literatur entnommen oder durch eigene Messungen bestimmt werden. Aus durchgeführten Messungen der Erfinder ist klar ersichtlich, dass sich potenzielle „Schmutzmaterialien“ deutlich in der Permittivität von Kristallzucker unterscheiden, was eine erfolgreiche Detektion unterstützt. An important factor in microwave measurements is the complex permittivity or dielectric constant of the materials used in the measurement of a scene. Permittivity values can either be taken from the literature or determined by measurements. From measurements made by the inventors, it is clear that potential "soil materials" differ significantly in the permittivity of granulated sugar, which supports successful detection.
Darauf basierende Modellrechnungen zeigen, dass die durch eine 30 cm dicke Zuckerschicht transmittierte Strahlungsleistung ca. 80 % der ursprünglichen auf die Schicht auftreffenden Leistung beträgt. Daher ist die Detektion eines Schmutzpartikels auch durch eine Zuckerschicht hindurch noch ausreichend möglich. Based on this, model calculations show that the radiant power transmitted through a 30 cm thick layer of sugar is approximately 80% of the original power incident on the layer. Therefore, the detection of a dirt particle is still sufficiently possible through a layer of sugar.
Bei dem vorgeschlagenen ISAR bedient man sich der Möglichkeit von Materiekörpern, die auf sie treffende Mikrowellenstrahlung mindestens zum Teil wieder zum Radar hin zurück zu reflektieren. Neben den Reflexions- bzw. Streueigenschaften eines Objekts hängt der Erfolg einer brauchbaren Radarmessung aber noch von vielen anderen Faktoren wie der Szenenbeschaffenheit, der Beobachtungsgeometrie, dem genauen Messverfahren und der Sensorik selbst ab. The proposed ISAR uses the possibility of matter bodies to reflect the microwave radiation impinging on them at least in part back to the radar. In addition to the reflection or scattering properties of an object, the success of a useful radar measurement depends on many other factors such as the nature of the scene, the observation geometry, the exact measurement method and the sensor itself.
Das ISAR umfasst einen Radarsender
Das ISAR ist dabei aber nicht auf ein Förderband
Das ISAR besteht in einer Erweiterung aus einem kohärenten Radar mit mehreren Radarsendern
Radarsender und Radarempfänger des ISAR können in einer Ausgestaltung über eine gemeinsame Antenne betrieben werden, was dem exakt monostatischen Betriebsfall entspricht. Vorzugsweise werden sie aber über getrennte Antennen betrieben, was den technischen Vorteil einer besseren Entkopplung bzw. minimalen Übersprechens einbringt, aber insbesondere auch den bistatischen Betriebsfall zulässt. Der bistatische Winkel Ψ kann nun auf vielfältige Arten und in vielfältigen Größen eingestellt bzw. verwendet werden. Zum einen ist er in horizontaler Richtung als Unterschied der Blickwinkel Φ realisierbar, zum anderen und auch gleichzeitig über den Unterschied der Blickwinkel Θ in vertikaler Richtung. Vorzugsweise sind ein quasi-monostatischer Fall mit z.B. Ψ = 0°, ein bistatischer Fall mit Ψ = 180° und ein bistatischer Fall mit Ψ um 90° zu verwenden. Im ersten Fall handelt es sich um Rückstreuung der gesendeten Signale, welche die klassische Situation der meisten Radaranwendungen darstellt und für viele Objektarten zu hohen Signalstärken der Radarechos führt (z.B. Objekte mit Ecken oder dipolförmige Objekte). Der zweite Fall ist die sogenannte Vorwärtsstreuung, welche häufig bei glatten und voluminösen Objekten signifikante Radarsignale verursacht. Im dritten Fall handelt es sich um einen bistatischen Winkelbereich, bei dem starke Resonanzeffekte in einem Frequenzband als Funktion der Frequenz zu beobachten sind, was auch experimentell bestätigt werden konnte. Bei allen anderen bistatischen Winkeleinstellungen sind natürlich ebenfalls Signale messbar, die aber in vielen Fällen im Mittel betrachtet ein weniger starkes Radarsignal verursachen. Beim zweidimensionalen ISAR wird die Richtung quer zur Relativbewegung zwischen Radar und Szene als Entfernungsrichtung bezeichnet (z.B. y-Richtung in
Die räumliche Auflösung in Entfernungsrichtung wird über die Signalbandbreite B erreicht und beträgt etwa Δr ≈ c/2B, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Medium (bei Luft gilt c = c0 ≈ 3 × 108m/s) ist. Die finale Auflösung Δy in y-Richtung ist schließlich über die Projektion der Schrägsicht auf die x-y-Ebene gegeben. Die Szenengröße in y-Richtung wird über die Breite der Antennenkeulen ΔΘ und den durch das Abtastintervall δf des genutzten Frequenzspektrums (innerhalb von B) bestimmten Eindeutigkeitsbereich der Abbildung bestimmt. In Azimutrichtung wird die räumliche Auflösung Δx durch den Azimutwinkelbereich der Beobachtung ΔΦ mit Δx ≈ λ0/2sin(ΔΦ) bestimmt, innerhalb dem jeder Szenenort während der Relativbewegung gesehen wird. λ0 ist dabei die mittlere Wellenlänge bei der Mittenfrequenz f0 der Beobachtung. Die Szenengröße in Azimutrichtung wird hierbei ebenfalls durch die Breite der Antennenkeule ΔΦ sowie den Eindeutigkeitsbereich, gegeben durch das Abtastintervall δx, bestimmt. The spatial resolution in the direction of removal is achieved via the signal bandwidth B and is approximately Δr ≈ c / 2B, where c is the speed of light in the respective medium (in the case of air c = c 0 ≈ 3 × 10 8 m / s). The final resolution Δy in the y direction is finally given by the projection of the oblique view onto the xy plane. The scene size in the y-direction is determined by the width of the antenna lobes ΔΘ and the uniqueness range of the image determined by the sampling interval δf of the frequency spectrum used (within B). In the azimuth direction, the spatial resolution Δx is determined by the azimuth angle range of the observation ΔΦ with Δx ≈ λ 0 / 2sin (ΔΦ), within which each scene location is seen during the relative movement. λ 0 is the mean wavelength at the center frequency f 0 of the observation. The scene size in the azimuth direction is also determined by the width of the antenna lobe ΔΦ and the uniqueness range given by the sampling interval δx.
Vorzugsweise wird nun ein Detektionsvorgang mit dem in
Die Orientierungen der Sender- und Empfänger-Antennen sind vorzugsweise so gestaltet, dass ihre auf das Messvolumen VOI projizierten Richtdiagramme möglichst eine größte gemeinsame Schnittmenge bilden, die damit auch in etwa den gemeinsamen Abbildungsbereich (d.h. auch die Bildgröße) festlegt. Dabei sind vorzugsweise für die bevorzugten bistatischen Winkel Ψ die Hauptkeulenbreiten der Richtdiagramme in Azimutrichtung Δδ in etwa gleich groß zu wählen. In Elevationsrichtung sind die Keulenbreiten ΔΘ je nach Position und Blickrichtung der Antenne in Bezug auf das Transportband so zu wählen, dass sie möglichst nur den interessierenden Bereich ausleuchten, damit eine maximale Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten und ein maximales Signal-zu-Rauschverhältnis gewährleistet werden (optimaler Antennengewinn bei vorgegebener Szenengröße). The orientations of the transmitter and receiver antennas are preferably designed such that their directional diagrams projected onto the measurement volume VOI form, if possible, a largest common intersection, which thus also defines the common imaging area (i.e., the image size). In this case, the main lobe widths of the directional diagrams in the azimuth direction Δδ should preferably be selected to be approximately the same for the preferred bistatic angles Ψ. In the elevation direction, the club widths .DELTA.Θ depending on the position and viewing direction of the antenna with respect to the conveyor belt are to be selected so that they illuminate only the region of interest, so as to ensure maximum suppression of ambiguity and a maximum signal-to-noise ratio (optimum antenna gain for a given scene size).
Die Abstände bzw. Positionen der Sender- und Empfänger-Antennen sind so zu wählen, dass vorzugsweise die gesamte Breite des Förderbandes
Werden mehrere Radar-Sender
Werden alle Empfänger-Kanäle einzeln in ihrer vollen Bandbreite B im Zeitbereich mit mindestens der Nyquist-Frequenz abgetastet (fNyq ≥ 2B) und die Werte gespeichert, so kann empfangsseitig durch geeignete Signalverarbeitung variabel eine digitale Strahlformung des Gesamtrichtdiagramms aller Einzeldiagramme oder auch nur Teilen davon synthetisiert werden (DBF – „Digital Beam Forming“). If all the receiver channels are individually sampled in their full bandwidth B in the time domain with at least the Nyquist frequency (f Nyq ≥ 2B) and the values stored, a digital beamforming of the overall timing diagram of all individual diagrams or even only parts thereof can be variably provided on the receiving side by suitable signal processing be synthesized (DBF - "Digital Beam Forming").
Wird mit zueinander kohärenten Sendesignalen für alle Sender-Zweige gearbeitet, so kann ferner eine Strahlformung auch senderseitig vorgenommen werden. Das vorzugsweise einzusetzende empfangsseitige DBF hat den großen Nutzen, dass die maximal mögliche Information, die von einer bestimmten Antennengruppe aufgenommen werden kann, vorliegt und damit simultan in einem Digitalrechner verschiedene Gesamtrichtdiagramme erzeugt werden können. Somit ist neben der breiten Beleuchtung der gesamten Szene z.B. auch gleichzeitig die adaptive Beleuchtung von Teilbereichen mit höherem Signal-zu-Rausch-Verhältnis möglich. Ferner ist auch hierdurch eine Ausblendung unerwünschter Störechos möglich. If one works with mutually coherent transmission signals for all transmitter branches, it is also possible to carry out beamforming on the transmitter side. The preferably to be used receiving side DBF has the great benefit that the maximum possible information that can be recorded by a particular antenna group, is present and thus simultaneously in a digital computer different overall timing diagrams can be generated. Thus, in addition to the wide illumination of the entire scene, e.g. at the same time the adaptive illumination of subregions with a higher signal-to-noise ratio possible. Furthermore, a suppression of unwanted false echoes is also possible thereby.
Die Nutzung mehrerer räumlich geeignet separierter Sender-Empfänger-Kombinationen erlaubt ferner die Erstellung dreidimensionaler (3D) Verteilungen des Streuquerschnitts eines gesamten Volumens. Vorteilhaft ist dabei die örtlich korrekte Zuweisung einer Streuzelle (Raumbereich der Auflösungszelle) in ein dreidimensionales Koordinatensystem, um z.B. den Fremdkörper genau lokalisieren und dann gezielt entfernen zu können. Vorzugsweise sind hierzu in
Bei baulich bedingten kurzen Abständen von Sender- und Empfänger-Antennen zum zu untersuchenden Messbereich VOI sind vorzugsweise mit der Bandbreite B modulierte Dauerstrichsignale (CW – Continuous Wave) um die Mittenfrequenz f0 zu wählen. Die Modulation kann dabei z.B. eine lineare Frequenzrampe (FMCW – Frequency-Modulated CW) über der Zeit oder aber auch Rauschen oder Kodierung (z.B. Phasenumtastung) sein, wenn z.B. mehrere orthogonale Signale benötigt werden. Bei zulässigen größeren Entfernungen kann vorzugsweise auch Pulsbetrieb in z.B. Kombination mit einer Frequenzmodulation (Chirp-Signal) oder Rauschen bzw. Kodierung verwendet werden, um zusätzlich störende Echos aus der Szenenumgebung besser ausblenden zu können. For structurally related short distances of transmitter and receiver antennas to be examined measuring range VOI preferably with the bandwidth B modulated continuous wave signals (CW - Continuous Wave) to choose the center frequency f 0 . The modulation may be, for example, a linear frequency ramp (FMCW - Frequency-Modulated CW) over time or else noise or coding (eg Phasenumtastung), if, for example, several orthogonal signals are needed. With permissible larger distances, pulsed operation in, for example, combination with a frequency modulation (chirp signal) or noise or coding can preferably also be used in order to be able to better hide additionally disturbing echoes from the scene environment.
Aus den Radarmesswerten einer synthetischen Aperturlänge werden vorzugsweise zwei- oder dreidimensionale Radarbilder der Streuintensitätsverteilung mit einem SAR-Prozessor erstellt. Der SAR-Prozessor ist ein mathematischer Bildrekonstruktionsalgorithmus, der aus den von den Radarempfängern
Vorzugsweise ist für die angestrebte Beobachtungsgeometrie ein Rückprojektionsverfahren zu verwenden, wobei jedoch auch noch andere bekannte Methoden existieren. Die einzelnen Radarbilder jeder Sender-Empfänger-Kombination werden dabei mit geeigneten bekannten Bildverarbeitungsmethoden (Rauschunterdrückung, Nebenkeulenunterdrückung, Glättungsfilter, Kontrastanreicherung) entweder schon im SAR-Prozessor oder in Folgeschritten nach der grundlegenden Radarbildgenerierung bearbeitet. Im Falle von DBF-Anwendung werden die Signale der beteiligten Sender-Empfänger-Kombinationen kohärent und gemeinsam zu einem Bildprodukt verarbeitet. Preferably, a backprojection method is to be used for the desired observation geometry, although other known methods also exist. The individual radar images of each transmitter-receiver combination are processed using suitable known image processing methods (noise reduction, side lobe suppression, smoothing filter, contrast enhancement) either already in the SAR processor or in subsequent steps after the basic radar image generation. In the case of DBF application, the signals of the involved transmitter-receiver combinations are coherently and processed together to form an image product.
Aus dem Bildprodukt bzw. den Bildprodukten wird vorzugsweise mit Segmentierungs- und Schwellwertverfahren die Fremdkörperdetektion vorgenommen. Dies kann mit Einzelbildauswertung als auch durch Auswertung fusionierter gleichzeitig aufgenommener Bilder erfolgen, wobei letztere Methodik eine größere Robustheit in Bezug auf Falschziele, d.h. Fehldetektionen, bietet. Auch die Auswertung von ganzen zeitlichen Bildsequenzen ist vorteilhaft, da damit dynamische und geometrische Veränderungen in der Bildfolge die Objektdetektion unterstützen. From the image product or the image products, foreign object detection is preferably carried out using segmentation and threshold methods. This can be done with frame-by-frame evaluation as well as by evaluation of fused concurrent images, the latter methodology providing greater robustness with respect to false targets, i. Misdetections, offers. Also, the evaluation of whole temporal image sequences is advantageous because dynamic and geometric changes in the image sequence support object detection.
Wenn eine Detektion mit einer Ausführung der zuvor beschriebenen Radarmethoden bzw. Kombinationen davon und durch eine entsprechende Bildauswertung erfolgt ist, so kann vorzugsweise folgendermaßen verfahren werden, um den Fremdkörper zu entfernen. If a detection has been carried out with an embodiment of the previously described radar methods or combinations thereof and by a corresponding image evaluation, then it is possible to proceed as follows in order to remove the foreign body.
Bei der Detektion ist der Ort x0, y0 und ggf. auch z0 (bei 3D-Abbildungen) des Fremdkörpers im Radarbild bzw. den Radarbildern hinreichend genau zum Zeitpunkt t0 bekannt. Da die Transportgeschwindigkeit v des Schüttguts als konstant und bekannt vorausgesetzt ist, ergibt sich ein neuer Ort x1 ≈ x0 + vΔt, y1 ≈ y0 und z1 ≈ z0 des Fremdkörpers nach der Zeit Δt = t1 – t0. An dieser Stelle x1 kann somit eine Vorrichtung angebracht sein, die den Fremdkörper vom Transportmedium weg entfernt. Das Entfernen ist z.B. durch ein hinreichend schnelles mechanisches Aussondern quer zur Bewegungsrichtung möglich (z.B. mechanischer Schieber oder Stößel, Druckluftdüse, Saugvorrichtung, etc.), womit auch geringe Mengen des Schüttguts um den Fremdkörper herum mit entfernt werden. In schwierigeren Fällen des mechanischen Aussonderns (z.B. wegen Schüttgutgröße oder Gewicht) kann am Ort x1 dann auch automatisiert eine z.B. farbliche Kennzeichnung erfolgen, mit Hilfe derer an späterer geeigneter Stelle eine manuelle oder auch maschinelle Entnahme des Fremdkörpers möglich ist. During detection, the location x 0 , y 0 and possibly also z 0 (in the case of 3D images) of the foreign body in the radar image or the radar images is known with sufficient accuracy at time t 0 . Since the transport speed v of the bulk material is assumed to be constant and known, there results a new location x 1 ≈ x 0 + vΔt, y 1 ≈ y 0 and z 1 ≈ z 0 of the foreign body after the time Δt = t 1 -t 0 . At this point x 1 can thus be attached a device which removes the foreign body away from the transport medium. The removal is possible, for example, by a sufficiently fast mechanical separation transversely to the direction of movement (eg mechanical slide or plunger, compressed air nozzle, suction device, etc.), which also small amounts of the bulk material around the foreign body are removed with. In more difficult cases of mechanical sorting (eg because of bulk material size or weight) can then be done automatically at the location x 1, for example, a color coding, with the help of which later suitable manual or mechanical removal of the foreign body is possible.
Das vorgestellte ISAR hat den Vorteil, dass es vorzugsweise in einen bestehenden Fertigungsprozess ohne besondere und aufwendige Umbaumaßnahmen integrierbar ist. Lediglich eine hinreichend zugängliche Stelle im Transportsystem des Schüttguts, die keine metallische Abschirmung hat, ist erforderlich. Da die Sensorik relativ nah an dem Messvolumen angeordnet werden kann, ist insgesamt eine kompakte Bauweise möglich, die umso kleiner ausfällt, je höher der Betriebsfrequenzbereich des Radars gewählt werden kann. Bei vielen Produktionsstätten mit recht ähnlichen Transportstrukturen für Schüttgüter und bei großen Stückzahlen benötigter Prüfstellen vom Typ des vorgestellten Detektionsverfahrens bietet sich vorzugsweise auch an, eine Adapterplattform mit definierter Ein- und Ausgangsschnittstelle des Fördermechanismus zu entwerfen, in welche dann genau definiert und optimiert das Sensorsystem verbaut werden kann. Damit ist in jedem Produktionsprozess mit transportierten Schüttgütern nur an geeigneten Stellen ebenfalls die identische Schnittstelle zu schaffen und es können hiermit absolut identische und qualitativ gleichwertige Prüfmaßstäbe der Schüttgutqualität allerorts angelegt werden. The proposed ISAR has the advantage that it can preferably be integrated into an existing manufacturing process without any special and expensive conversion measures. Only a sufficiently accessible point in the transport system of the bulk material, which has no metallic shield, is required. Since the sensors can be arranged relatively close to the measuring volume, overall a compact design is possible, which is the smaller, the higher the operating frequency range of the radar can be selected. In many production facilities with quite similar transport structures for bulk materials and large numbers of required test centers of the type of detection method presented is also preferable to design an adapter platform with defined input and output interface of the conveyor mechanism, in which then exactly defined and optimized the sensor system are installed can. Thus, in every production process with transported bulk materials, the identical interface can only be created at suitable locations, and absolutely identical and qualitatively equivalent test standards of bulk material quality can be created everywhere.
Das vorgestellte ISAR ist in ähnlicher Ausprägung auch zur Detektion von Fehlerstellen bei der Massenproduktion von Bauteilen in einer Fließbandstruktur geeignet. Dabei sollte vorzugsweise sichergestellt sein, dass sich jedes Bauteil immer in der nahezu exakt gleichen Pose in Bezug auf den Sensor befindet, wenn es die synthetische Apertur durchfährt. The presented ISAR is also suitable for the detection of flaws in the mass production of components in an assembly line structure. It should preferably be ensured that each component is always in almost exactly the same pose with respect to the sensor when it passes through the synthetic aperture.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird. Although the invention has been further illustrated and explained in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exists. It is also to be understood that exemplified embodiments are really only examples that are not to be construed in any way as limiting the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and description of the figures enable one skilled in the art to practice the exemplary embodiments, and those skilled in the art, having the benefit of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example, to the function or arrangement of individual elements recited in an exemplary embodiment, without Protected area, which is defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanation in the description.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101 101
- Verunreinigung/en Contamination / s
- 102 102
- Material / Schüttgut Material / bulk material
- 103 103
- Radarsender / Sender Radar transmitter / transmitter
- 104 104
- Radarempfänger / Empfänger Radar receiver / receiver
- 105 105
- Radarempfänger / Empfänger Radar receiver / receiver
- 106 106
- Steuereinheit control unit
- 107 107
- Auswerteeinheit evaluation
- 108 108
- Radarempfänger / Empfänger Radar receiver / receiver
- 109 109
- Förderband conveyor belt
- 110 110
- Mechanismus zum Aussondern Mechanism for discarding
Claims (11)
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