DE10226845A1

DE10226845A1 - Anordnung zur Ermittlung der Verteilung der komplexen Permittivität eines Untersuchungsobjektes

Info

Publication number: DE10226845A1
Application number: DE2002126845
Authority: DE
Inventors: Tobias Dipl.-Ing. Meyer; Andreas Dr.-Ing. Jöstingmeier; Abbas S. Prof. Dr.-Ing. Omar
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2002-06-16
Filing date: 2002-06-16
Publication date: 2004-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Verteilung der komplexen Permittivität eines Untersuchungsobjektes, in der das Untersuchungsobjekt mit Mikrowellen bestrahlt und die von ihm durchgelassene und gestreute Strahlung nach Amplitude und Phase gemessen wird, um aus den Meßwerten die gesuchte Verteilung der komplexen Permittivität zu ermitteln. DOLLAR A Die Anordnung weist folgende Komponenten auf: DOLLAR A È einen Mikrowellenresonator, der mehrere Koppelstellen zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellenleistung aufweist, und in dessen Hohlraum das Untersuchungsobjekt angeordnet ist, DOLLAR A È einen Mikrowellengenerator, der monofrequente Mikrowellen in einem Frequenzbereich erzeugt, der die erste Resonanz und höhere Resonanzen des mit dem Untersuchungsobjekt bestückten Mikrowellenresonators einschließt, DOLLAR A È Mittel, um die vom Mikrowellenresonator einzukoppeln, wobei während der Meßdurchführung zeitlich nacheinander unterschiedliche Frequenzen aus dem genannten Frequenzbereich verwendet werden, DOLLAR A È Mittel, um für jede der verwendeten Frequenzen mindestens eine Koppelstelle als Einkoppelstelle und mindestens eine der anderen Koppelstellen als Auskoppelstelle zu schalten, DOLLAR A È Mittel, um für jede der verwendeten Frequenzen Amplitude und Phase des an mindestens einer der Einkoppelstellen reflektierten Anteils und des zu mindestens einer der Auskoppelstellen transmittierten Anteils der Mikrowellen während der Anwesenheit des Untersuchungsobjekts im Mikrowellenresonator zu ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Verteilung der komplexen Permittivität eines Untersuchungsobjektes, in der ein Untersuchungsobjekt mit Mikrowellen bestrahlt und die vom Untersuchungsobjekt durchgelassene und gestreute Strahlung nach Amplitude und Phase gemessen wird, um aus den Meßwerten die gesuchte Verteilung der komplexen Permittivität zu ermitteln.
Es ist bereits bekannt [ DE 3531893 ], ein Untersuchungsobjekt mit gepulsten oder kontinuierlichen Mikrowellen zu bestrahlen und das vom Untersuchungsobjekt durchgelassene und gestreute Strahlungsfeld in einem vorgegebenen Volumen mittels eines Detektor-Arrays nach Amplitude und Phase zu messen. Mikrowellensender, Untersuchungsobjekt und Detektor-Array befinden sich in einem mit Koppelmedium gefüllten Behälter. Aus den Amplituden- und Phasen-Meßwerten wird mittels eines Rekonstruktions-Algorithmus die dreidimensionale Verteilung der Dielektrizitätskonstante im Untersuchungsobjekt berechnet. Das flächenhafte Detektor-Array muß im Meßverlauf schrittweise an N verschiedene Positionen innerhalb des vorgegebenen Volumens verschoben werden. Nach jeder Verschiebung sind Amplitude und Phase am Ort der Einzeldetektoren zu bestimmen. Außerdem ist vor Beginn der Messung mit einem Untersuchungsobjekt eine zusätzliche Messung ohne Untersuchungsobjekt notwendig, um Amplitude und Phase der Strahlung am vorgesehenen Ort des Untersuchungsobjekt zu bestimmen. Das Detektor-Array muß daher bis zum Ort des Untersuchungsobjekt verfahrbar sein.
Bei einer anderen Anordnung [ US 5363050 ] wird das Untersuchungsobjekt mit einer annähernd ebenen Welle bestrahlt. Das Detektor-Array ist auf der Außenseite eines zylindrischen Behälters, der das Untersuchungsobjekt und eine Koppelflüssigkeit aufnimmt, mit Abstand von der Behälterwand angeordnet. Damit diese Anordnung bei der Auswertung der ermittelten Meßwerte als unbegrenztes offenes System behandelbar ist, wird als Koppelflüssigkeit ein Mikrowellen absorbierendes Material ausgewählt. In einer Betriebsvariante der Anordnung wird die Frequenz der Mikrowellen und/oder deren Einfallsrichtung während der Messung variiert.
Eine Anordnung zur Mikrowellen-Tomographie [ WO 9532665 ] verwendet gepulste Mikrowellen bei M unterschiedlichen Frequenzen und N um das Untersuchungsobjekt angeordnete Antennen, die auf der Außenseite einer das Untersuchungsobjekt aufnehmenden Untersuchungskammer angeordnet sind. Jede der Antennen kann wahlweise als Mikrowellen-Emitter/-Detektor geschaltet werden. Während des Messung werden sequentiell ein oder mehrere Antennen mit einem Mikrowellengenerator verbunden, während die restlichen Antennen als Detektoren geschaltet sind, um Amplitude und Phase des Mikrowellenfeldes zu erfassen. Diese Messungen werden wiederholt, bis jeder der N Emitter/Detektoren als Emitter verwendet wurde. Anschließend wird der Vorgang für die anderen Frequenzen wiederholt.
Die mit den genannten Anordnungen ermittelten Meßwerte können wegen der im Freiraum plazierten Mikrowellendetektoren erheblich durch unvermeidbare Fremdfelder beeinträchtigt werden. Dies führt zwangsläufig zu erheblichen Fehlern bei der berechneten Verteilung der komplexen Permittivität des Untersuchungsobjektes. Diese Störanfälligkeit führt auch dazu, daß eine Verbesserung der Auflösung durch Erhöhung der Anzahl der verwendeten Mikrowellendetektoren weit unterhalb des theoretisch erreichbaren Wertes bleibt.
Bekannt ist auch eine Anordnung zur Mikrowellen-Tomographie ( SU 1644006 ), bei der sich das Untersuchungsobjekt in einen Resonator befindet, in den Mikrowellenleistung eingekoppelt wird. Mit dieser Anordnung werden jedoch nur die Resonanzfrequenzen des leeren Resonators sowie des Resonators mit eingebrachtem Untersuchungsobjekt bestimmt. Diese Meßwerte werden zwar nicht durch äußere Störfelder verfälscht, sie ermöglichen jedoch nur einen sehr beschränkten Informationsgewinn über das im Resonator befindliche Untersuchungsobjekt.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich als Aufgabenstellung der Erfindung, eine Anordnung zur Ermittlung der Verteilung der komplexen Permittivität eines Untersuchungsobjektes so zu gestalten, daß die Meßwertbestimmung einerseits nicht oder nur unwesentlich durch äußere Fremdfelder beeinträchtigt wird und andererseits alle notwendigen Meßwerte bestimmbar sind, um aus diesen Meßwerten mittels eines bekannten iterativen Berechnungsverfahrens die Verteilung der komplexen Permittivität eines Untersuchungsobjektes mit hoher Genauigkeit und Auflösung ermitteln zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Im Sinne der Erfindung soll unter Mikrowellenresonator ein geschlossener Hohlraum verstanden werden, dessen metallisches Wandmaterial eine elektrische Leitfähigkeit und Wandstärke aufweist, die eine der gewünschten Meßsicherheit und Störeinflußunterdrückung entsprechende Abschirmung gewährleistet.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden durch Anordnung der Meßstellen im Innenraum des allseitig geschlossenen Mikrowellenresonators, der das Untersuchungsobjekt enthält, Störeinflüsse durch Fremdfelder unterdrückt. Die Messung der reflektierten und transmittierten Felder kann daher im Vergleich zu anderen Verfahren, die im Freiraum plazierte Antennenelemente verwenden, erheblich verbessert werden. Durch Verwendung eines Resonators kann somit eine sehr genaue Streuparameterbeschreibung des mit dem Untersuchungsobjekt gefüllten Mikrowellenresonators erfolgen.
Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erreichbare Genauigkeit und räumliche Auflösung wächst mit einer Vergrößerung des bei der Meßdurchführung verwendeten Frequenzbereichs sowie der Anzahl der Ein- und Auskoppelstellen, dabei wächst jedoch auch die Komplexität der Operationen zur Auswertung der Meßwerte. Für diese Auswertung, mit der aus den gewonnenen Meßdaten die Verteilung der komplexen Permittivität des Untersuchungsobjektes ermittelt wird, wird ein iteratives Berechnungsverfahren verwendet, das z. B. von T. Meyer und Mitautoren publiziert wurde in "Microwave Imaging Using Spectral Expansion of the Object Function" in Proc. 31^th EuMC, Bd. 3, S. 409–412, London, Sept. 2001.
Vorteihafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, näher erläutert.
Die Anordnung weist einen komplett metallisch geschirmten Raum auf, den Mikrowellenresonator 1, der über mehrere Koppelstellen 3 verfügt. Innerhalb dieses Resonators wird das Untersuchungsobjekt 2 plaziert. Mit einem Kontrollgerät 4 zur Auswahl der Einkoppelstelle wird jeweils eine der Koppelstellen dazu verwendet, Mikrowellenleistung, die im Generator des Vektor-Netzwerkanalysators 5 erzeugt wird, in den Resonator 1 einzukoppeln. Die Reflektion dieses Mikrowellensignales an der anregenden Einkoppelstelle sowie die Transmission zu anderen Koppelstellen, den Auskoppelstellen, werden nach Amplitude und Phase mittels des Vektor-Netzwerkanalysators 5 gemessen. Dadurch erfolgt eine Beschreibung des mit dem Untersuchungsobjekt 2 gefüllten Resonators durch seine Streuparameter, die breitbandig gemessen werden.
Diese Meßdaten werden dann an den Computer 6 übertragen und als Eingangsdaten für die Berechnung Verteilung der komplexen Permittivität des Untersuchungsobjektes verwendet. Dazu wird ausgehend von einem geratenem Permittivitätsverlauf der Fehler zwischen den mit dem Resonatoraufbau gemessenen und den mit Hilfe des iterativen Berechnungsverfahren ermittelten Streuparametern iterativ minimiert. Im Gegensatz zu anderen iterativen Verfahren wird dabei nicht die Permittivität an diskreten Stützstellen optimiert, sondern das Untersuchungsobjekt wird zunächst als Vektor von Entwicklungskoeffizienten einer Orthogonalreihe dargestellt. Im iterativen Verfahren werden dann diese Entwicklungskoeffizienten optimiert, was die Stabilitäts- und Konvergenzeigenschaften der Berechnung entscheidend verbessert.
Der berechnete Verlauf der dreidimensionalen Permittivität des Untersuchungsobjekts wird dann im Display 7 zur Anzeige gebracht.

Claims

Anordnung zur Ermittlung der Verteilung der komplexen Permittivität eines Untersuchungsobjektes, mit – einem Mikrowellenresonator (1), der mehrere Koppelstellen (3) zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellenleistung aufweist und in dessen Hohlraum das Untersuchungsobjekt (2) angeordnet ist, – einem Mikrowellengenerator, der monofrequente Mikrowellen in einem Frequenzbereich erzeugt, der die erste Resonanz und höhere Resonanzen des mit dem Untersuchungsobjekt (2) bestückten Mikrowellenresonators (1) einschließt, sowie Mitteln, um die vom Mikrowellengenerator erzeugten monofrequenten Mikrowellen in den Mikrowellenresonator (1) einzukoppeln, wobei während der Meßdurchführung zeitlich nacheinander unterschiedliche Frequenzen aus dem genannten Frequenzbereich verwendet werden, – Mitteln, um für jede der verwendeten Frequenzen mindestens eine Koppelstelle (3) als Einkoppelstelle und mindestens eine der anderen Koppelstellen (3) als Auskoppelstelle zu schalten, – Mitteln, um für jede der verwendeten Frequenzen Amplitude und Phase des an mindestens einer der Einkoppelstellen reflektierten Anteils und des zu mindestens einer der Auskoppelstellen transmittierten Anteils der Mikrowellen während der Anwesenheit des Untersuchungsobjekt (2) im Mikrowellenresonator (1) zu messen, – einer Auswerteeinheit, die unter Verwendung eines iterativen Berechnungsverfahrens aus den Meßwerten die Verteilung der komplexen Permittivität des Untersuchungsobjektes (2) ermittelt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Meßdurchführung für jede der verwendeten Frequenzen jede Koppelstelle (3) oder jede zu einer vorgebbaren Teilmenge der Koppelstellen gehörende Koppelstelle mindestens einmal als Einkoppelstelle geschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Meßdurchführung für jede der verwendeten Frequenzen jede Koppelstelle (3) oder jede zu einer vorgebbaren Teilmenge der Koppelstellen gehörende Koppelstelle mindestens einmal als Auskoppelstelle geschaltet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Auskoppelstellen kleiner als die Anzahl der Einkoppelstellen ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Einkoppelstellen kleiner als die Anzahl der Auskoppelstellen ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenresonator (1) während der Meßdurchführung mit einem Koppelmedium oder zeitlich nacheinander mit verschiedenen Koppelmedien befällt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Position- und/oder Lage des Untersuchungsobjektes (2) vorgebbar zu ändern und die Meßdurchführung nach diesen Änderungen fortzusetzen oder zu wiederholen.