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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Sendeeinrichtung zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung, einer Mehrzahl von mit der Sendeeinrichtung verbundenen Sendeantennen zum Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung, einer Mehrzahl von Empfangsantennen für die von den Sendeantennen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung, einer mit der Mehrzahl von Empfangsantennen verbundenen Empfangseinrichtung zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung und einem motorisch angetriebenen rotierenden Scanner, wobei die Sendeantennen und die Empfangsantennen an dem Scanner angeordnet sind, wobei der Scanner derart eingerichtet ist, dass die Sendeantennen und die Empfangsantennen mit gleicher Geschwindigkeit um eine Drehachse drehbar sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung mit den Schritten Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung in einer Sendeeinrichtung, Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit einer Mehrzahl von mit der Sendeeinrichtung verbundenen Sendeantennen gleichzeitig, Empfangen der elektromagnetischen Strahlung mit einer mit einer Mehrzahl von Empfangsantennen verbundenen Empfangseinrichtung und Drehen der Sendeantennen und der Empfangsantennen mit gleicher Geschwindigkeit um eine Drehachse.
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Aus dem Stand der Technik sind bildgebende Systeme auf der Grundlage von Millimeterwellenstrahlung bekannt. Derartige Systeme erfordern aufwendige und teure Sende- und Empfangseinrichtungen zum Generieren und Detektieren der elektromagnetischen Millimeterwellenstrahlung. Geeigneten Empfangseinrichtungen, die gleichzeitig eine Mehrzahl von Bildpunkten aufnehmen, wie dies bspw. für andere Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung in Form von CCD-Kameras der Fall ist, stehen für die Millimeterwellenstrahlung nicht zur Verfügung. Daher setzen die aus dem Stand der Technik bekannten bildgebenden Vorrichtungen auf eine zeitlich aufeinanderfolgende, d.h. serielle, Generierung der einzelnen Bildpunkte. Dazu muss in der einen oder anderen Weise ein Objekt, dessen Bild mit der elektromagnetischen Strahlung erfasst werden soll, Bildpunkt für Bildpunkt mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung abgetastet oder gerastert werden.
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Um eine hinreichende Aufnahmegeschwindigkeit zu erreichen setzen bekannte System dabei auf eine Überlagerung einer linearen Translationsbewegung des Objekts und einer synchronen Rotationsbewegung einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne. Die Rotationsbewegung der Sende- und Empfangsantennen sorgt für die Generierung der Bildzeilen, während die lineare Translationsbewegung des Objekts für den notwendigen Zeilenvorschub sorgt.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2015 203 743 B3 ist eine Antennenanordnung zur Hochfrequenzabtastung bekannt mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Antennenträger, der mehrere in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gegeneinander winkelversetzte Antennenarme aufweist, die von einem zentralen Bereich des Antennenträgers ausgehen, durch den die Rotationsachse verläuft, mehrere Hochfrequenzantennen, die an den Antennenarmen angeordnet sind, Hochfrequenzleitungen, die entlang der Antennenarme von zentralen Bereichen zu den Hochfrequenzantennen verlaufen und Frequenzfilter aufweisen, die jeweils nur einen Frequenzbereich passieren lassen, und einer im zentralen Bereich des Antennenträgers ausgebildeten Hochfrequenzdrehkupplung, über die Hochfrequenzsignale in die Hochfrequenzleitungen des drehbaren Antennenträgers eingespeist oder von den Hochfrequenzleitungen abgeleitet werden können, wobei die Hochfrequenzfilter der Hochfrequenzleitungen und die Antennenarme unterschiedliche Frequenzbereiche passieren lassen, die nicht überlappen.
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Aus der
WO 2014/173831 A2 ist ein abtastendes Millimeterwellenbildgebungssystem zum Abtasten von Objekten bekannt, welches eine Transporteinrichtung zum Transportieren der Objekte in einer ersten Richtung, ein Millimeterwellenmesssystem und ein Abtastsystem umfasst. Das Millimeterwellenmesssystem weist einen mit einer ersten Antenne verbundenen Transmitter und einen mit einer zweiten Antenne verbundenen Empfänger auf, die beabstandet voneinander angeordnet sind und einen Spalt zwischen sich ausbilden, durch den die Objekte transportiert werden können. Das Abtastsystem erzeugt eine synchrone, bogenförmige Bewegung der ersten und zweiten Antennen. Das Signal von dem Transmitter wird von einer H10-Mode in eine H11-Mode umgewandelt und über ein Drehgelenk in der H11-Mode in die erste Antenne eingekoppelt, wodurch die Orientierung oder Polarisation des Signals im Hinblick auf die Transporteinrichtung über die Drehung hinweg konstant bleibt.
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Das US-Patent
US 5,933,120 offenbart ein System zur zweidimensionalen Abbildung mit Millimeterwellen. Das System umfasst eine Spindelanordnung, welche eine Drehachse definiert, eine Wellenleiteranordnung mit einem ersten dielektrischen Wellenleiter, der eine erste Achse definiert und einer Gitteranordnung, die mit der Spindelanordnung verbunden ist, wobei die Gitteranordnung eine Mehrzahl von Sektoren umfasst, wobei jeder der Sektoren ein leitendes Gittermuster mit einer sich ändernden Periode aufweist. Die sich ändernde Periode des Gittermusters ist eine Funktion eines durch eine Drehposition der Gitteranordnung in Bezug auf die Drehachse definierten Winkels.
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Die US-Patentanmeldung
US 2013/0021613 A1 betrifft eine räumlich selektive Platte mit einer Mehrzahl von darin vorgesehenen Löchern, die so angeordnet sind, dass eine Matrix mit einer Mehrzahl von linear unabhängigen Reihen erzeugt wird, wobei jede Reihe Elemente aufweist entsprechend einem Bruchteil eines Pixels in einem Betrachtungsfenster, das auf die Platte projiziert ist, wobei die Platte mit einem Loch an einer bestimmten Drehposition der Scheibe hinterlegt ist.
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Gegenüber einer derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, die günstiger herzustellen ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, welche die gleiche Frequenzbandbreite der elektromagnetischen Strahlung für jeden Bildpunkt bereitstellt.
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Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird gelöst durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder ein Verfahren nach Anspruch 16.
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Es ist das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung Sendeantennen in einer größeren Anzahl vorzusehen als Sendeeinrichtungen und Empfangsantennen in einer größeren Anzahl als Empfangseinrichtungen. Auf diese Weise wird die Vorrichtung technisch vereinfacht und preiswerter. Dazu ist jede Sendeeinrichtung mit einer Mehrzahl von Sendeantennen zum Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung verbunden und mit jeder Empfangseinrichtung ist eine Mehrzahl von Empfangsantennen verbunden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung genau eine Sendeeinrichtung auf, die mit einer Mehrzahl von Sendeantennen verbunden ist und in einer Ausführungsform weist die Vorrichtung genau eine Empfangseinrichtung auf, die mit einer Mehrzahl von Empfangsantennen verbunden ist.
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Es gilt, die Sendeantennen und die Empfangsantennen mit Hilfe des Scanners mit gleicher Geschwindigkeit um eine Drehachse zu drehen, sodass ein sich im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen genau einer Sendeantenne und genau einer Empfangsantenne befindliches Objekt im Wesentlichen zeilenartig von dem Strahlengang überstrichen wird.
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Ist in einer Ausführungsform der Radius, d.h. der Abstand der Sendeantennen und der Empfangsantennen von der Drehachse hinreichend groß, so ist die Bewegung der Sendeantennen und der Empfangsantennen im Bereich des Objekts zwar nach wie vor teilkreisförmig, jedoch mit einer geringen Krümmung, sodass im Wesentlichen eine lineare Zeile von Bildpunkten generiert wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Radius, d.h. der radiale Abstand der Sendeantennen und der Empfangsantennen von der Drehachse größer, vorzugsweise doppelt so groß wie die maximale Breite eines Objekts, dessen Bild mit Hilfe der Vorrichtung generierbar ist.
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Es versteht sich, dass die Sendeantennen und die Empfangsantennen derart an dem Scanner angeordnet sein müssen, dass jeweils paarweise ein Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung von einer Sendeantenne zu einer Empfangsantenne gebildet wird. Dazu muss die Drehbewegung aller Sendeantennen und Empfangsantennen synchron zueinander sein.
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Es versteht sich, dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl in Transmissionsals auch in Reflexionsgeometrie arbeiten kann. In Abhängigkeit von Geometrie müssen Sende- und Empfangsantennen entweder auf der gleichen Seite des Objekts (Reflexionsgeometrie) oder auf gegenüberliegenden Seiten des Objekts (Transmissionsgeometrie) angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform kann ein Paar aus Sendeantenne und Empfangsantenne von einem einzigen Bauelement gebildet werden, welches sowohl zur Ausstrahlung als auch zum Empfang der elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist. Es versteht sich, dass eine solche Ausführungsform insbesondere zur Bildgebung in Reflexionsgeometrie geeignet ist.
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In einer alternativen Ausführungsform werden die Sendeantenne und die Empfangsantenne eines Paars von Antennen von getrennten Bauteilen, d.h. von zwei Antennen gebildet. Es versteht sich, dass die Vorrichtung in einer solchen Ausführungsform die gleiche Anzahl von Sendeantennen und Empfangsantennen aufweist, sodass zu jeder Sendeantenne eine Empfangsantenne vorhanden ist.
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Würden nun alle Paare aus Sendeantennen und mit der gleichen Empfangseinrichtung verbundenen Empfangsantennen gleichzeitig ein Signal in der Empfangseinrichtung generieren, so ließe sich nicht mehr unterscheiden, in welchem der Strahlengänge der jeweiligen Paare aus Sendeantenne und Empfangsantenne sich gerade das zu erfassende Objekt befindet. Daher ist es zentral für die vorliegende Erfindung, die einzelnen Paare von Sendeantennen und Empfangsantennen derart zu codieren, dass eine eindeutige Zuordnung des in der Empfangseinrichtung generierten Signals zu demjenigen Paar aus Sendeantenne und Empfangsantenne, das gerade das Objekt überstreicht und in diesem Sinne beleuchtet, zu ermöglichen.
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Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung eine Abdeckung für die die elektromagnetische Strahlung mit einer Durchbrechung auf. Diese Abdeckung mit der Durchbrechung ist derart ausgestaltet, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung eine Signalgenerierung nur von genau einem Paar aus Sendeantenne und Empfangsantenne, nämlich demjenigen Paar, welches gerade das Objekt überstreicht, ermöglicht. Zu diesem Zweck ist die Durchbrechung in der Abdeckung derart ausgestaltet, dass sie einen ungehinderten Strahlengang nur von genau einer Sendeantenne zu genau einer Empfangsantenne über eine Zeile des Objekts hinweg ermöglicht. Gleichzeitig werden alle weiteren Strahlengänge zwischen den weiteren Paaren aus Sendeantenne und Empfangsantenne durch die Abdeckung unterbrochen.
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Es versteht sich, dass auch die Beschaffenheit der Abdeckung ggf. von der Geometrie des Strahlengangs zwischen den Sendeantennen und der Empfangsantenne abhängt. Wird die Vorrichtung in einer Reflexionsgeometrie betrieben, so bietet es sich an, dass die Abdeckung absorbierend ist, sodass dann, wenn sich ein Paar aus Sendeantenne und Empfangsantenne im Bereich der Abdeckung, d.h. nicht dort, wo Durchbrechung angeordnet ist, befindet, die von der Sendeantenne abgestrahlte elektromagnetische Strahlung von der Abdeckung absorbiert wird, sodass die Empfangsantenne keine elektromagnetische Strahlung an die Empfangseinrichtung weiterleiten kann.
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Wird hingegen die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Transmissionsgeometrie betrieben, so genügt es, die Abdeckung dort, wo sie nicht die Durchbrechung aufweist, den Strahlengang wirksam unterbricht, d.h. insbesondere die elektromagnetische Strahlung reflektiert oder absorbiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, bei welchen eine Codierung des Paars von Antennen, welche gerade einen Teil des Objekts überstreichen, auf einer Frequenzfilterung der von den einzelnen Sendeantennen abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung beruht, den Vorteil auf, dass sie für jedes Paar aus Sendeantenne und Empfangsantenne die volle Bandbreite der von der Sendeeinrichtung generierten elektromagnetischen Strahlung bereitstellt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die elektromagnetische Strahlung eine Frequenz oder ein Frequenzband in einem Bereich von 10 GHz bis 15 THz, vorzugsweise von 40 GHz bis 1,5 THz auf. Bezogen auf ein Frequenzband bedeutet dies, dass seine Mittenfrequenz in dem angegebenen Bereich liegt. In diesem Frequenzbereich sind nach wie vor Sendeeinrichtungen und Empfangseinrichtungen sehr aufwändig und teuer. Matrixförmige Anordnungen von Antennen und Empfangseinrichtungen in Form von Arrows sind praktisch überhaupt nicht verfügbar.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die elektromagnetische Strahlung ein Frequenzband mit einer Bandbreite von 3 GHz oder mehr, vorzugsweise von 4 GHz oder mehr und besonders bevorzugt von 8 GHz oder mehr auf. Mit einer derartigen Bandbreite, die von jeder Sendeantenne zur Verfügung gestellt wird besteht die Möglichkeit, die über jeden Bildpunkt gewonnenen Daten, d.h. insbesondere seine Transmission oder Reflexion, spektroskopisch auszuwerten. Wird in einer Ausführungsform das Frequenzband in eine Mehrzahl von Einzelspektren unterteilt, so kann eine hyperspektrale Auswertung des Frequenzbandes erfolgen.
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Es versteht sich, dass in einem solchen Fall, in dem es Informationen einer großen Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung auszuwerten gilt, die Empfangseinrichtung eine hohe Datenrate für die Verarbeitung benötigt. Eine solche hohe Datenrate wird insbesondere in einer digitalen Schaltung für die Empfangseinrichtung und die Sendeeinrichtung bereitgestellt. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung von einem DDS-System (Direkte Digitale Synthese) gebildet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung bilden die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung zusammen ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar (engl. Frequency Modulated Continuous Wave Radar; kurz FMCW-Radar). Dieses ermöglicht einen Radarbetrieb mit einer Ermittlung der Richtung und des Abstands zwischen dem Objekt und der Sende- oder Empfangsantenne der Radarvorrichtung bei überschaubarem apparativem Aufwand.
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Ziel des FMCW-Radars ist es, die Laufzeit eines von einer Sendeantenne abgestrahlten und von einer Empfangsantenne empfangenen Radarsignals zu bestimmen und damit den Abstand zwischen dem Objekt und einer der Antennen. Grundlage für die Abstandsmessung ist, dass die Frequenz eines monofrequenten, schmalbandigen Radarsignals mit der Zeit variiert wird. Beispielsweise nimmt über ein Zeitintervall hinweg die Frequenz des abgestrahlten Signals kontinuierlich und linear gegenüber der Zeit, zu. Verwendet man nun einen Teil des generierten Radarsignals als Referenzsignal und leitet dieses Referenzsignal der Empfangseinrichtung unmittelbar zu, während das eigentliche Radarsignal von der Sendeantenne über das Objekt zur Empfangsantenne läuft und mischt man in der Empfangseinrichtung das von der Empfangsantenne empfangene Radarsignal mit dem Referenzsignal, so generiert der Mischprozess ein Zwischenfrequenzsignal. Die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals ergibt sich aus den unterschiedlichen Laufzeiten von Referenzsignal und Radarsignal. Wichtig ist dabei, dass die Laufzeit des Radarsignals nicht größer ist als das vorbestimmte Zeitintervall, über welches die Frequenz des abgestrahlten Radarsignals geändert wird. Bestimmt man nun am Empfänger, d.h. hinter dem Mischer die generierte Zwischenfrequenz, so ist diese proportional zum Abstand zwischen der Sendeantenne bzw. der Empfangsantenne und einem das Radarsignal reflektierenden Objekt.
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Mit anderen Worten ausgedrückt wird bei einem FMCW-Radar der Zeitpunkt der Abstrahlung des Radarsignals innerhalb eines Intervalls, in dem die Frequenz des abgestrahlten Radarsignals variiert wird, frequenzcodiert.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung bilden die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung zusammen ein System ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Stepped Frequency System, einem Rausch- oder Pseudorausch-System, einem System zum Erzeugen und Erfassen von gepulster elektromagnetischer Strahlung, einem Dauerstrich-System, einem PLL-basierten System, oder einer Kombination davon.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Durchbrechung durch einen Schlitz in der Abdeckung gebildet. In einer solchen Ausführungsform ist es zweckmäßig, wenn alle Sendeantennen, alle Empfangsantennen und die Durchbrechung den gleichen radialen Abstand, d.h. gemessen senkrecht zur Drehachse, von der Drehachse aufweisen, wobei der Schlitz teilkreisbogenförmig ausgestaltet ist mit einem Krümmungsradius, der gleich dem radialen Abstand der Sendeantennen und der Empfangsantennen von der Drehachse ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Durchbrechung in Umfangsrichtung um die Drehachse herum eine Erstreckung auf, die gleich 360° geteilt durch die Anzahl der mit einer Empfangseinrichtung verbundenen Empfangsantennen oder kleiner ist.
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Es versteht sich, dass die Abdeckung in radialer Richtung eine Erstreckung aufweist, sodass sie die Strahlengänge von Paaren aus Sende- und Empfangsantenne unterbricht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Vorrichtung in Transmissionsgeometrie arbeitet, weist der Scanner eine um eine Drehachse motorisch angetriebene drehbare erste Dreheinrichtung, wobei die Mehrzahl von Sendeantennen auf der ersten Dreheinrichtung angeordnet ist und eine um die Drehachse motorisch angetriebene drehbare zweite Dreheinrichtung, wobei die Mehrzahl von Empfangsantennen auf der Dreheinrichtung angeordnet ist, auf, wobei die erste Dreheinrichtung und die zweite Dreheinrichtung derart ausgestaltet sind, dass sich in einem Betrieb der Vorrichtung die erste Dreheinrichtung und die zweite Dreheinrichtung mit gleicher Winkelgeschwindigkeit drehen, wobei die Sendeantennen und die Empfangsantennen derart zueinander angeordnet sind, dass zwischen jeweils einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne ein Spalt ausgebildet ist, durch den das Objekt hindurch bewegbar ist und wobei in dem Spalt zwischen den Sendeantennen und den Empfangsantennen die Abdeckung mit der Durchbrechung angeordnet ist.
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In einer derartigen Ausführungsform können die Drehbewegungen der ersten und der zweiten Dreheinrichtung des Scanners mechanisch oder elektrisch zueinander synchronisiert sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Scanner einen Absolutwertgeber für die Winkelposition des Scanners, d.h. für seine drehenden Teile in Bezug auf die stationären Teile auf. Auf diese Weise lässt sich die Erfassung des Signals auf den Zeilenanfang oder den Beginn der Durchbrechung in Umfangsrichtung triggern. Dabei fällt der Zeilenanfang typischerweise mit dem Beginn des Überstreichens des Strahlengangs eines Paars aus einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne über den Bereich der Durchbrechung in Umfangsrichtung zusammen.
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Ein derartiger Absolutwertgeber für die Winkelposition des Scanners ermöglicht es, die Winkelgeschwindigkeit des Scanners an die Messaufgabe, d.h. das zu erfassende Objekt, anzupassen.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind auch die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung derart an dem Scanner angeordnet, dass sie in einem Betrieb der Vorrichtung eine Drehbewegung um die Drehachse ausführt. In diesem Fall sind also die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung drehbar auf dem Scanner angeordnet. Eine derartige Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass sie keine Drehkupplung zum Überführen der elektromagnetischen Strahlung von einem stehenden in ein drehendes Teil erfordert. Die von der Sendeeinrichtung erzeugte elektromagnetische Strahlung wird in diesem Fall in einen ebenfalls mitgedrehten Leistungsteiler aufgeteilt und, vorzugsweise zu gleichen Teilen bezogen auf die Leistung, an die Sendeantennen weitergeleitet.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung stationär, d.h. sie werden in dem Betrieb der Vorrichtung nicht mitgedreht. Dies reduziert die bewegte, d.h. rotierende, Masse. Daher ist in einer solchen Ausführungsform zwischen der Sendeeinrichtung und den Sendeantennen eine Drehkupplung am Übergang von einem stehenden zu einem drehenden Teil des Scanners vorgesehen und ein Leistungsteiler, der drehend an dem Scanner angeordnet ist. In einer Ausführungsform, bei welcher die Empfangseinrichtung stationär ist, sind zwischen den Empfangsantennen und der Empfangseinrichtung ein Leistungsteiler und eine Drehkupplung vorgesehen, wobei der Leistungsteiler derart an dem Scanner angeordnet ist, dass er drehend ist.
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Die Ausgestaltung mit Leistungsteilern, die sich während des Betriebs der Vorrichtung um die Drehachse drehen, ermöglicht die Verwendung einfacher und preisgünstiger einkanaliger Drehkupplungen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Scanner derart eingerichtet, dass er sich in dem Betrieb der Vorrichtung mit einer einstellbaren Drehrate dreht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Scanner derart eingerichtet, dass er sich in dem Betrieb der Vorrichtung mit einer Drehrate von mindestens 9 Hz, vorzugsweise von mindestens 15 Hz und besonders bevorzugt von mindestens 50 Hz dreht.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Sendeantennen gleich der Anzahl der Empfangsantennen, wobei die Sendeantennen gleiche Winkelabstände aufweisen wie die Empfangsantennen. Mit anderen Worten ausgedrückt sind alle Sendeantennen und alle Empfangsantennen in Umfangsrichtung äquidistant voneinander beabstandet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Transporteinrichtung auf, die derart eingerichtet ist, dass das Objekt und der Scanner relativ zueinander linear, vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Drehachse, bewegbar sind, so dass die Antennen das Objekt zeilenweise überstreichen.
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Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform eine derartige Transporteinrichtung eine Transporteinrichtung für das abzubildende Objekt ist. Ein Beispiel für eine derartige Transporteinrichtung ist ein Förderband, welches das Objekt an den Sende- und Empfangsantennen vorbei transportiert, wobei der Transportweg des Objekts den von der Drehbewegung der Sende- und Empfangsantennen beschriebenen Kreis zweifach schneidet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens vier Sendeantennen und mindestens vier Empfangsantennen auf.
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Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird zudem auch durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung gelöst mit den Schritten Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung in einer Sendeeinrichtung, Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit einer Mehrzahl von mit der Sendeeinrichtung verbundenen Sendeantennen gleichzeitig, Empfangen der elektromagnetischen Strahlung mit einer mit einer Mehrzahl von Empfangsantennen verbundenen Empfangseinrichtung, wobei die Sendeantennen und die Empfangsantennen derart angeordnet sind, dass jeweils paarweise ein Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung von einer Sendeantenne zu einer Empfangsantenne gebildet wird, und Drehen der Sendeantennen und der Empfangsantennen synchron mit gleicher Geschwindigkeit um eine Drehachse, sodass ein sich in einem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne befindliches Objekt im Wesentlichen zeilenartig von dem Strahlengang überstrichen wird, wobei zu einem beliebigen Zeitpunkt nur die elektromagnetische Strahlung aus einem Strahlengang von genau einer Sendeantenne durch eine Durchbrechung einer Abdeckung zu genau einer Empfangsantenne von der Empfangseinrichtung empfangen wird, während alle anderen Strahlengänge von der Abdeckung unterbrochen werden.
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Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf die Vorrichtung beschrieben wurde, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Überwachen der Vorrichtung und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind aber Ausführungsformen der Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens geeignet.
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Weitere Merkmale, Vorzüge und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
- 1 ist eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung in Transmissionsgeometrie.
- 2 ist eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung in Transmissionsgeometrie.
- 3 ist eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes von einem Objekt mit elektromagnetischer Strahlung in Reflexionsgeometrie.
- 4 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abdeckung aus den Vorrichtungen der 1 bis 3.
- 5 ist eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abdeckung.
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In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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In den dargestellten Ausführungsformen soll ein Briefumschlag 3 als Objekt mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung auf sicherheitsrelevante Substanzen untersucht werden, ohne ihn zu öffnen. Ziel der Vorrichtungen ist es, ein Bild, d.h. eine matrixförmige Anordnung von Bild- bzw. Messpunkten des Objekts 2 aufzunehmen.
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Bei der elektromagnetischen Strahlung 3, mit welcher der Umschlag 2 durchleuchtet wird handelt es sich in den Ausführungsformen der 1 bis 3 um elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung mit einer Bandbreite von 5 GHz und einer Mittenfrequenz von 45 GHz. Um diese Hochfrequenzstrahlung 3 zu generieren und zu detektieren verfügen die Vorrichtungen 1, 1', 1" aus den 1 bis 3 über eine Sendeeinrichtung 4, 4' und eine Empfangseinrichtung 5, 5' welche zusammen ein FMCW-Radar auf Basis eines DDS-Systems bilden, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen bildgebenden Vorrichtung 1. Diese verfügt über einen Scanner 6, der aus zwei Dreheinrichtungen 7, 8 besteht. In einer praktischen Realisierung der Dreheinrichtungen 7, 8 werden diese von Drehtellern gebildet, welche als Träger für die Antennen 10, 11 bzw. 16, 18 dienen.
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Auf der ersten Dreheinrichtung 7 des Scanners 6 sind vier Sendeantennen in einem radialen Abstand r von der Drehachse 9 der Drehreinrichtung montiert. Von diesen vier Sendeantennen sind in der skizzenhaften Darstellung aus 1 zwei Sendeantennen 10, 11 dargestellt.
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Die Zuleitung des von der Sendeeinrichtung 4 generierten Hochfrequenzsignals zu den Sendeantennen 10, 11 erfolgt über eine Zuleitung 12 zunächst bis zu einer Drehkupplung 13. In der Drehkupplung 13 wird die Hochfrequenzstrahlung von einem stationären Teil, welcher sich im Betrieb der Vorrichtung 1 nicht dreht, in einen von der Dreheinrichtung 7 gebildeten drehenden Teil überführt. Von dem drehenden Ende der Drehkupplung 13 führt eine auf der Dreheinrichtung 7 montierte Zuleitung 14 zu einem Leistungsteiler 15. Der Leistungsteiler verteilt die elektromagnetische Strahlung zu gleichen Teilen bezogen auf die Leistung auf die vier Sendeantennen 10, 11. Daher strahlen im Betrieb der Vorrichtung 1 alle vier Sendeantennen 10, 11 gleichzeitig in etwa die gleiche Leistung an elektromagnetischer Strahlung 3 ab.
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Auf der zweiten Dreheinrichtung 8 des Scanners 6 sind vier Empfangsantennen in einem radialen Abstand r von der Drehachse 9 der Drehreinrichtung 8 montiert. Von diesen vier Empfangsantennen sind in der skizzenhaften Darstellung aus 1 zwei Empfangsantennen 16, 18 dargestellt.
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Auf den ersten und zweiten Dreheinrichtungen 7, 8 sind die Sendeantennen 10, 11 bzw. die Empfangsantennen 16, 17 derart angeordnet, dass sie einen Spalt zwischen sich bilden, in den der zu erfassende Umschlag 2 hineinbewegbar ist. Es versteht sich, dass auch die vier Empfangsantennen in dem gleichen radialen Abstand r von der Drehachse 9 angeordnet sind wie die Sendeantennen 10, 11.
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Die Sende- und Empfangsantennen 10, 11 bzw. 16, 17 wirken in dem Sinne paarweise zusammen, dass immer genau eine Empfangsantenne 17 die elektromagnetische Strahlung 3 genau einer Sendeantenne 11 aufnimmt. Zu diesem Zweck sind die beiden Dreheinrichtungen 7, 8 in ihren Drehbewegungen synchronisiert. In der dargestellten Ausführungsformen der 1 und 2 erfolgt die Synchronisierung durch eine elektronische Synchronisierung der beiden Antriebsmotoren (nicht dargestellt) der Dreheinrichtungen 7, 8.
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Auf der Empfängerseite sind gewissermaßen spiegelbildlich zu der Senderseite die Empfangsantennen 16, 17 über Leitungen mit einem Leistungskoppler 18 verbunden, welcher die Signale von den Empfangsantennen 16, 17 auf eine Leitung 19 zusammenführt. Wie zuvor senderseitig beschrieben sind sowohl der Leistungskoppler 18 als auch die Leitung 19 auf der Dreheinrichtung 8 montiert und drehen sich während des Betriebs der Vorrichtung mit den Antennen mit. Die Leitung 19 wiederum ist mit einer Drehkupplung 20 verbunden, welche die elektromagnetische Strahlung 3 von der Dreheinrichtung 8 in einen stationären Teil der Vorrichtung 1 überführt. Die Drehkupplung 20 wiederum ist an ihrer stationären Seite mit einer weiteren stationären Leitung 21 mit der Empfangseinrichtung 5 verbunden.
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Da der radiale Abstand r der Antennen 10, 11, 16, 17 von der Drehachse 9 deutlich größer gewählt ist als die maximale Breite (Abmessung in einer Richtung senkrecht zur Papierebene) des aufzunehmenden Umschlags 2, kann die Bahnbewegung der Antennen 10, 11 bzw. 16, 17 im Bereich des Objekts gut durch eine Gerade genähert werden, sodass die Drehbewegung der Antennen 10, 11 bzw. 16, 17 zu einer zeilenförmigen Abtastung des Objekts 2 führt. Für den notwendigen Zeilenvorschub, um ein zweidimensionales Array von Bildpunkten aufzunehmen, sorgt eine Transporteinrichtung in Form eines Förderbands 22, welche den Umschlag 2 durch die elektromagnetische Strahlung 3 hindurch bewegt. Dabei ist die Bewegungsrichtung 23 des Förderbands 22 senkrecht zur Drehachse 9. Das Objekt 2 schneidet auf seinem Weg die von den Antennen 10, 11 bzw. 16, 17 beschriebene Kreisbahn zweifach.
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Die beschriebene Vorrichtung 1 weist den Vorteil auf, dass sie nur eine einzige Sendeeinrichtung 4 und nur eine einzige Empfangseinrichtung 5 benötigt und damit Kosten gegenüber Vorrichtungen reduziert, welche zur Bildgenerierung eine Vielzahl von Sendeeinrichtungen und Empfangsrichtungen benötigen. Allerdings verlangt diese Konfiguration, dass es möglich ist, zu jedem Zeitpunkt nur genau das Signal von einem einzigen Paar aus Sendeantenne 11 und Empfangsantenne 17 in der Empfangseinrichtung 5 zu empfangen und auszuwerten. Zu diesem Zweck verfügen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen über eine mit dem Bezugszeichen 24 versehene Abdeckung. Dabei ist die Abdeckung 24 immer zwischen Sendeantenne und Objekt oder zwischen Empfangsantenne und Objekt angeordnet und derart ausgestaltet, dass zu jedem Zeitpunkt elektromagnetische Strahlung 3 nur zwischen einem einzigen Paar aus Sendeantenne 11 und Empfangsantenne 17 übertragen wird. Die elektromagnetische Strahlung aller weiteren Sendeantennen 10 wird durch die Abdeckung 24 blockiert bzw. ihr Strahlpfad unterbrochen. Zu diesem Zweck verfügt die Abdeckung 24 über eine Durchbrechung, welche in den dargestellten Ausführungsformen der 1 bis 3 von einem Schlitz 25 gebildet wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Abdeckung 24 in einer Draufsicht von oben. Die Abdeckung 24 aus 4 findet Verwendung in allen drei Ausführungsformen gemäß der 1 bis 3, so wie sie hier beschrieben werden. Entscheidend ist, dass die Abdeckung 24 mit dem Schlitz 25 nicht mit gedreht wird. Deutlich ist ein Schlitz 25 in der Draufsicht aus 4 erkennbar.
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Der Schlitz 25 ist dabei kreisbogenförmig ausgestaltet und weist einen radialen Abstand r von der Drehachse 9 der Dreheinrichtungen 7, 8 des Scanners auf, welcher gleich dem radialen Abstand r der Sende- und Empfangsantennen 10, 11 bzw. 16, 17 von der Drehachse 9 ist. Dabei wird der radiale Abstand r des Schlitzes 25 zwischen der Drehachse 9 und der Mitte 26 zwischen den beiden Rändern der Abdeckung 24 in radialer Richtung gemessen. In Umfangsrichtung erstreckt sich der Schlitz 25 über etwa 85°, sodass gewährleistet ist, dass sich zu jedem Zeitpunkt jeweils nur genau ein Paar aus Sendeantenne 11 und Empfangsantenne 17 über bzw. unter dem Schlitz 25 befindet und nur dieses Paar zur Generierung eines Signals in der Empfangseinrichtung 5 und damit zur Bildpunktgenerierung beiträgt.
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5 ist eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Abdeckung 24' gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Abdeckung 24' ist die Durchbrechung 25' nach Art eines Tortenstücks ausgestaltet. Dabei weist die Durchbrechung 25' eine Erstreckung in Umfangsrichtung über einen Winkel von weniger als 45° auf. Auf diese Weise ist die Abdeckung 24' für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit jeweils 8 Sendeantennen und Empfangsantennen vorgesehen.
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In allen drei Ausführungsformen drehen sich die Scanner 6, 6' bzw. Dreheinrichtungen 7, 7', 8 mit einer Drehrate von 80 Hz, was bei vier Antennenpaaren einer Drehrate von 320 Hz für eine Vorrichtung mit nur einem Antennenpaar entspricht. Gegenüber einer Vorrichtung mit nur einem Antennenpaar liefern die beschriebenen Ausführungsformen daher eine Vervierfachung der Drehraten und damit der Abtastraten. Eine weitere Erhöhung der Abtastrate kann durch eine Anordnung mit mehr als vier Antennenpaaren erreicht werden.
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2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1'. Diese unterscheidet sich von der Anordnung aus 1 dadurch, dass die Sendeeinrichtung 4' und die Empfangseinrichtung 5' ebenfalls auf den Dreheinrichtungen 7, 8 angeordnet sind und sich im Betrieb der Vorrichtung 1' mit den Sendeantennen 10, 11 bzw. der Empfangsantennen 16, 17 mitdrehen. Daher kann auf die aufwendigen Drehkupplungen 13, 20 verzichtet werden, was wiederum die Vorrichtung preisgünstiger macht. Die übrigen Komponenten und deren Zusammenbau sind gleich mit denjenigen aus 1.
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3 hingegen zeigt verglichen mit den Ausführungsformen aus den 1 und 2 eine Anordnung, bei welcher das Objekt 2 in eine Reflexionsgeometrie statt in einer Transmissionsgeometrie erfasst wird. In dieser Anordnung weist der Scanner 6' nur eine einzige Dreheinrichtung 7' auf. Die Antennen 10', 11' sind in diesem Fall Sende- und Empfangsantennen in einem und die von einer Antenne 11' abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 3 wird von der gleichen Antenne 11' erfasst. Wie in der Ausführungsform der 1 sind die Sendeeinrichtung 4 und die Empfangseinrichtung 5 stationär angeordnet, d.h. sie drehen sich nicht mit der Dreheinrichtung 7' mit. Daher ist am Übergang der Leitung von dem stehenden Teil der Vorrichtung zu dem drehenden Teil 7' wieder eine Drehkupplung 13 vorgesehen. Ein Strahlteiler 27 sorgt dafür, dass die von den als Empfangsantennen wirkenden Antennen 10' 11' kommende elektromagnetische Strahlung nicht zurück in die Sendeeinrichtung 4 sondern vielmehr in die Empfangseinrichtung 5 geleitet wird.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
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Bezugszeichen
- 1, 1', 1"
- bildgebende Vorrichtung
- 2
- Objekt
- 3
- Hochfrequenzstrahlung
- 4, 4'
- Sendeeinrichtung
- 5, 5'
- Empfangseinrichtung
- 6, 6'
- Scanner
- 7
- erste Dreheinrichtung
- 7'
- Dreheinrichtung
- 8
- zweite Dreheinrichtung
- 9
- Drehachse
- 10, 11
- Sendeantenne
- 10'
- Antenne
- 11'
- Antenne
- 12, 14
- Zuleitung
- 13, 20
- Drehkupplung
- 15
- Leistungsteiler
- 16, 17
- Empfangsantenne
- 18
- Leistungskoppler
- 19, 21
- Leitung
- 20
- Drehkupplung
- 22
- Förderband
- 23
- Bewegungsrichtung des Förderbands 22
- 24,24'
- Abdeckung
- 25
- Schlitz
- 25'
- Durchbrechung
- 26
- Mitte
