DE19747784A1

DE19747784A1 - Objekterkennung mittels Thermosignaturanalyse

Info

Publication number: DE19747784A1
Application number: DE1997147784
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Ing Rothe; Frank E Dipl Ing Woetzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-05-06

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der berührungsfreien Stoffprofilerkennung sowie der berührungsfreien bzw. Fernerfassung der Objektgrenzflächen bzw. Objektkonturen von Objekten bzw. Körpern mit beliebiger dielektrischer bzw. magnetischer Suszeptibilitätsverteilung.

Anwendungsgebiet

Die Anwendungsgebiete der Erfindung beziehen sich schwerpunktmäßig auf die folgenden Sachkomplexe:

- Berührungslose Detektion von Stoffprofilen und/oder Konturen spezifischer Materialien, sowohl, wenn der das zu erkennende Objekt ganz oder teilweise umschließende aus freiem Raum (Vakuum) besteht oder durch andere Materialien/ Körpern ganz oder teilweise durch diese oder durch Durchmischungen dieser (wie Flüssigkeiten, Gase, Aufschüttungen, Schlämme, Gesteinen, Bauwerk usw.) erfüllt ist.
- Berührungslose Bestimmung von stofflichen und Materialkonstanten
- Berührungslose Oberflächenanalyse hinsichtlich Materialkomposition und Struktur
- Berührungslose Untersuchung von verdeckten Objekten, von Einschlüssen, Enklaven, Zonenbildung (z. B. unterschiedlicher Kompressionsgrad), Fremdkörperdetektion und -analyse im zu untersuchenden Objekt.
- Berührungslose, zerstörungsfreie, Gewebeanalyse von lebenden und toten organischen Strukturen und deren Bestandteilen.
- Berührungslose Untersuchung von Stoffgemischen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung (z. B. Lösungen und Gemische) sowie die gleichzeitige Analyse deren makroskopischer Struktur (Kristalle, Emulsionen usw.).
- Berührungslose Bestimmung der makroskopischen Struktur von Stoffgemischen und/oder Verbunden innerhalb des Objektraumes unter Beachtung gesonderter Suchvorgaben.
- Berührungslose Erfassung von Veränderungen innerhalb eines Objektraumes unter Beachtung von gesonderten Suchvorgaben und/oder bestimmten Startwerten (z. B. hinsichtlich der Zusammensetzung, temporären Ortsveränderungen oder Änderungen von stofflichen Eigenschaften).

Charakteristik des bekannten Standes der Technik a) Gaschromatografie

Alle bezeichneten Verfahren beruhen auf der Betrachtung der spektralen Verteilung der ausgesendeten Strahlung des Probanden, entweder unter Zuhilfenahme einer geeigneten Strahlungsquelle im gleichen Frequenzbereich oder durch Erhitzung des Probanden und damit Erzeugung eines strahlenden Plasma. In jedem Fall können nur optisch transparente Stoffe bzw. Gasgemische untersucht werden (z. T. zerstören den Stoffprüfung). Die genannten Verfahren lassen keine makroskopische Stoffprüfung zu.

b) Wärmebildfotografie

Das Verfahren geht von vorhandenen Temperaturdifferenzen zur Bild gewinnung aus oder es werden Techniken genutzt, die den jeweils interessanten Bereich "hinter- oder beleuchten" bzw. erwärmen. Die dabei eingesetzten Strahlungsquellen arbeiten im gleichen spektralen Bereich (wie der Sensor). Bei der Erwärmung können innerhalb der zu untersuchenden AO liegende Körper nicht selektiv angesprochen/angeregt werden. Weiterhin bestehen zeitliche Abhängigkeiten (Grenzen, Verzögerungen) in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Stoffe/Körper.

c) Radartechnik

Das Prinzip beruht zumeist auf der Auswertung eines Reflexionsprofils in Abhängigkeit einer Anregung durch Strahlung im gleichen spektralen Bereich wie des auszuwertenden Reflexionsprofils.

Das Auflösungsvermögen verhält sich in Abhängigkeit zu der gewählten Wellenlänge der anregenden Strahlung. Untersuchen an in sich geschlossenen Anordnungen sind eingeschränkt möglich. Ein bildhafte Darstellung ist prinzipiell möglich, jedoch sehr anspruchsvoll hinsichtlich der verwendeten Technik/ Software. Die erhaltene Bildinformation ist meist nicht direkt auszuwerten.

Das Auflösungsvermögen korreliert mit verwendeter Wellenlänge. Zum zu vermessenden Objekt ist eine freie Ausbreitung des Radarsignals erforderlich, ist dies nicht möglich sind Aussagen nur sehr beschränkt möglich. Die Auswertung stützt sich auf das Reflexionsprofil des zu vermessenden Objektes und läßt damit nur sehr eingeschränkte Aussagen über dessen stoffliche Zusammensetzung zu.

d) Optische Techniken im Bereich des sichtbaren Lichts

Mit Hilfe optischer Techniken im Bereich des sichtbaren Lichts und angrenzender naher Wellenbereiche können nur Reflexionen von nicht oder teilweise nicht transparenten Anordnungen und das Transmissionsverhalten optisch transparenter Stoffe bewertet werden. Eine Informationsgewinnung von verdeckten Anordnungen ist i.A. nicht möglich. Die Anregung erfolgt im gleichen spektralen Bereich (künstlich o. natürlich). Aussagen über konkrete stoffliche Zusammensetzungen sind nur eingeschränkt möglich. Die Zusammensetzungen verdeckter Strukturen sind meist nicht detektierbar.

e) Röntgentechniken

Die überwiegende Zahl aller Systeme basieren auf der Transmissionsmessung der Wechselwirkung (Ablenkung) hochenergetischer Strahlung mit den durchdrungenen Stoffen. Hierbei kommen verschiedene Bereiche von relativ "weicher" bis zu "harter" Strahlung zum Einsatz. Aussagen werden im Rahmen der atomaren Wechselwirkung getroffen. Aussagen über stoffliche Zusammensetzung und Form sind dabei möglich. Zur Auswertung werden bildgebende Darstellungen genutzt. Eine spezielle Schulung des Betrachters ist erforderlich. Anregungs- und Auswertungsspektrum liegen im gleichen Frequenzbereich. Der nutzbare Frequenzbereich ist i.A. invariant. Die stoffliche Umgebung, insbesondere organische Materie, werden u. U. negativ beeinflußt. Aussagen über die Struktur komplexer Anordnungen ist möglich. Der notwendige technische und Absicherungsaufwand ist erheblich. Verwertbare Ergebnisse lassen sich praktisch nur im Transmissionsverfahren erzielen. Die Anwendung auf lebendes Gewebe/Strukturen ist bedenklich.

f) Kernspintomografie

Verfahren basierend auf Wechselwirkung auf molekularer Ebenen von magnetischen Feldern bzw. elektromagnetischen Feldern. Auswertung und Darstellung der Wechselwirkung. Die Anregungsbedingung muß definiert gewählt werden, wodurch fast ausschließlich stationäre Lösungen möglich sind.

Anregendes und auszuwertendes Feld liegen im gleichen spektralen Bereich bzw. auf gleicher Frequenz. Die Darstellung erfolgt in Form einer komplexen Bildinformation.

Stoffliche Aussagen lassen sich nur eingeschränkt machen. Das Verfahren ist technisch sehr aufwendig und bedarf einer Abschirmung anderer hochfrequenter Wechselfelder. Die Verfahrenstechnik ist nicht für den mobilen oder Außeneinsatz geeignet. Zumeist ist eine Transmissionsmessung erforderlich.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Erkennung bzw. Erfassung von Objekten (1) mittels Thermosignaturanalyse auf der Basis hochempfindlicher bzw. hochauflösender Sensorsysteme, vorzugsweise Infrarotsensorsysteme (4), wobei mittels einer oder mehrerer Sensorsysteme, der Objektraum (2), dessen Oberfläche das zu detektierende bzw. zu erkennende Objekt (1) vollständig oder teilweise ein- bzw. umschließt oder die Oberfläche des Objektes vollständig oder teilweise bildet, erfaßt und dessen abbildbare Oberflächenverteilung des Strahlungsprofils innerhalb eines Wellenlängenbereiches von ca. 300 µm bis 680 nm rezeptiert wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, indem die Signatur auf der Oberfläche des Objektraumes mittels einer Energiequelle, vorzugsweise thermische Energiequelle, erzeugt wird, wobei die Energiequelle identisch dem zu erfassenden bzw. zu erkennenden Objekt (1) ist. Hierbei erfolgt die Abbildung der Quellsignatur auf die Oberfläche des Objektraumes unmittelbar für den Fall, daß die Begrenzung des zu detektierenden Objektes identisch der Oberfläche des Objektraumes ist sowie transformatorisch über die Stoffparameter bzw. Stoffkenndaten des Objektraumes für den Fall, daß diese das Übertragungsglied, vorzugsweise thermische Übertragungsglied, zwischen der Oberfläche des zu erkennenden Objektes und der Oberfläche des Objektraumes bilden.

Die Anregung der Quelle in Form des zu erkennenden Objektes erfolgt erfindungsgemäß mittels eines gezielten internen oder externen Energieeintrages auf der Basis eines elektromagnetischen Wechselfeldes, wobei die Quelle des elektromagnetischen Wechselfeldes (3, 5) vorzugsweise außerhalb des Objektraumes (2) angeordnet ist, jedoch grundsätzlich auch innerhalb des Objektraumes (2) positioniert werden kann. Hierbei bewirkt das elektromagnetische Wechselfeld die spektral abhängige Anregung des stoffspezifischen Polmoments, vorzugsweise Dipolmomentes, des Quellsystems (1) in der Weise, daß die unmittelbare Momentenanregung des mit dem zu erkennenden Objekt identischen Quellsystem für den Fall der Identität der Oberfläche des Objektraums sowie der Oberfläche des zu erkennenden Objektes erfolgt und die transformierte Momentenanregung für den Fall der Verschiedenheit der vorbenannten Oberflächen hervorgerufen wird, wobei für beide Fälle die Anordnung der Wechselfeldquelle (3, 4) außerhalb des Objektraumes vorausgesetzt und die stoffspezifischen Eigenschaften des den Objektraumes umgebenden Raumes identisch denen des evakuierten Raumes angenommen werden.

Auf der Basis der Übertragungseigenschaften, vorzugsweise thermischen Übertragungseigenschaften, des Objektraumes (2) erfolgt die Abbildung der Quellenergie, vorzugsweise thermischen Quellenergie, auf die Oberfläche des Objektraumes mittels Strahlung oder Leitung bzw. mittels Kombination der beiden Mechanismen.

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß das anregende elektromagnetische Wechselfeld innerhalb eines Spektralbereiches erzeugt wird, der primär zur Anregung des stoffspezifischen Polmomentes, vorzugsweise Dipolmomentes, des erkennenden Objektes (1) führt und innerhalb des Objektraumes (2) ausschließlich mit den elektromagnetischen Ausbreitungsparametern des objektraumspezifischen Ausbreitungsmediums wechselwirkt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Signaturanalyse neben der Analyse der Signatur, vorzugsweise Thermosignatur, des Objektes bzw. der transferierten Signatur, vorzugsweise der Thermosignatur, des Objektes auf Basis der Bewertung der Signatur spektral komplementärer energetischer Komponenten als Quellgrößen des zu erkennenden Objektes, wobei die Summation der Thermospektralanteile sowie der Komplementäranteile das resultierende Sekundärenergiespektrum als Wirkungskomplex des primären Wechselfeldenergiespektrums darstellt (6, 12).

Der Eintrag des elektromagnetischen Wechselfeldes erfolgt in gerichteter oder ungerichteter Form mittels geeigneter Strahlersysteme (3, 5) sowohl in mittelbarem als auch unmittelbarem Kontakt zwischen der Strahlerapertur des Quellstrahlers und der Oberfläche des Objektraumes für den Fall der Anordnung der Strahlungsquelle außerhalb der Begrenzung des Objektraumes bzw. der Oberfläche des Objektes für den Fall der Anordnung der Strahlungsquelle innerhalb der Begrenzung des Objektraumes.

Claims

1. Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, daß die Objekterkennung mittels Signaturanalyse, vorzugsweise Thermosignaturanalyse auf der Basis hochempfindlicher sowie hochauflösender Sensorsysteme, vorzugsweise Infrarot-Sensorsysteme gestattet, wobei mittels des Sensorsystems der Objektraum, dessen Oberfläche das zu detektierende bzw. erkennende Objekt vollständig oder teilweise ein- bzw. umschließt oder die Oberfläche des Objekts vollständig oder teilweise bildet, erfaßt und deren ab bildende Verteilung des Temperaturprofiles rezeptiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- die abbildbare Verteilung des Strahlungsenergieprofils innerhalb des Wellenlängenbereiches von ca. 300 µm bis 680 nm, vorzugsweise das Strahlungsprofil des Infrarotbereiches, rezeptiert wird;
- die Thermosignatur auf der Oberfläche des Objektraumes mittels einer thermischen Energiequelle erzeugt wird;
- die thermische Energiequelle identisch dem zu erfassenden bzw. zu erkennenden Objekt ist;
- die thermische Energie der Quelle mittels eines geeigneten internen oder externen Energieeintrages erzeugt wird;
- der gezielte Energieeintrag mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes erfolgt;
- das elektromagnetische Wechselfeld die Anregung des stoffspezifischen Dipolmomentes des Quellsystems bewertet;
- die Anregung des stoffspezifischen Dipolmomentes des Quellsystems den Wandlungsmechanismus zwischen wechselfrequenter elektromagnetischer Feldenergie und thermischer Energie bildet;
- die thermische Energie der Quelle mittels Wärmestrahlung auf die Oberfläche des Objektes transformiert wird;

2. Objekterkennung mittels Thermosignaturanalyse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag mittels eines wechselfrequenten elektromagnetischen Feldes über die Oberfläche des Objektraumes bewirkt wird.

3. Objekterkennung mittels Thermosignaturanalyse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung zwischen der Oberfläche des Objektraumes und der Oberfläche des Objektes mittels stoffspezifischer Strahlungsmechanismen erfolgt.

4. Objekterkennung mittels Thermosignaturanalyse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung zwischen der Oberfläche des Objektraumes und der Oberfläche des Objektes mittels stoffspezifischer Leitungsmechanismen erfolgt.

5. Objekterkennung mittels Thermosignaturanalyse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wechselfrequente elektromagnetische Feld gerichtet oder ungerichtet mit mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt zwischen der Quellapertur und der Oberfläche des Objektraumes eingetragen wird.