DE69009179T2

DE69009179T2 - Vorrichtung zur akustischen abtastung.

Info

Publication number: DE69009179T2
Application number: DE69009179T
Authority: DE
Inventors: David Donald Caulfield
Original assignee: CAULFIELD
Current assignee: CAULFIELD
Priority date: 1989-03-06
Filing date: 1990-03-05
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPH0750076B2; DE69009179D1; EP0462149B1; WO1990010866A1; CA1299727C; ATE106145T1; AU5268590A; EP0462149A1; JPH04501916A

Description

Technisches Gebiet

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abtasten der Materialart eines innerhalb einer Umkleidung oder eines Gehäuses angeordneten Gegenstandes. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, die ein akustisches Signal in Form von Impulsen an einem innerhalb einer Umkleidung oder eines Gehäuses angeordneten Objektes erzeugt und überträgt. Die reflektierten und übertragenen oder gebrochenen akustischen Signale werden in bezug auf das Zeitverhalten und ihren Energiegehalt angezeigt und analysiert. Aus dieser Analyse werden die akustischen Impedanz-, die akustischen Absorptions- und die Schallgeschwindigkeitseigenschaften des Objektes gemessen und berechnet. Für diese Parameter können die Dichte, der Elastizitätsmodul für Druck, die Porosität und andere akustische mechanische Eigenschaften des Objektes berechnet werden. Diese Parameter werden dann mit einer Tabelle entsprechender Parameter bekannter Substanzen verglichen und es wird eine Anpassung vorgenommen. Für diese Anpassung kann die Art der Substanz, aus der das eingeschlossene Objekt besteht, mit einem hohen Genauigkeitsgrad bestimmt werden.
Nach vorliegender Erfindung wird die "Umkleidung" oder das "Gehäuse" als ein hohles, kastenförmiges Gebilde mit einem darin angeordneten Objekt, dessen Substanz angezeigt und identifiziert werden soll, z.B. ähnlich einem ein Objekt enthaltenden Koffer, definiert. Das in bezug auf seine Substanz anzuzeigende und zu identifizierende Objekt kann jedoch auch in Erde oder anderes Material relativ nahe der Oberfläche eingesetzt sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Identifizieren der Substanz eines Objektes, das innerhalb eines Koffers oder dgl. Behältnisses angeordnet ist, und eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige und Identifizierung der Substanz eines Objektes, das in Erde eingesetzt ist.
Bei der ersten Ausführungsform kann eine Gruppe derartiger Vorrichtungen vertikal übereinander angeordnet sein, und ein Koffer oder dgl. Behältnis kann auf einem sich horizontal bewegenden Förderer an den Vorrichtungen vorbeibewegt werden, um das Innere des Koffers oder dgl. abzubilden bzw. zu erfassen.

Stand der Technik

Bekannte Verfahren zum Anzeigen des Inhalts von Koffern und dgl. arbeiten mit Röntgenstrahlabtastung oder chemischem Schnüffeln. Diese Techniken haben für manche Anwendungsfälle Nachteile. Im Falle der Röntgenstrahlabtasttechnik muß eine Bedienungsperson und/oder ein Rechner die Resultate der Abtastung beobachten und allein aufgrund eines Bildes eine Bestimmung in bezug auf den Inhalt des Koffers oder dgl. machen. In manchen Fällen ist dies schwierig, weil viele Substanzen, deren Anzeige besonders wichtig ist, einen sich ändernden Grad von Transparenz für Röntgenstrahlen haben. Dies macht es sehr schwierig, bestimmte Inhalte exakt festzustellen, was dazu führt, daß eine visuelle Untersuchung an Ort und Stelle erforderlich ist. Vorliegende Erfindung ergibt ein positiveres Ergebnis, indem die Notwendigkeit von umfangreichen visuellen Untersuchungen an Ort und Stelle reduziert wird. Da die Ablesung positiv ist, kann die visuelle Untersuchung wesentlich diskreter in einem Sicherheitsbereich ausgeführt werden, und die mögliche Gefahr für den Untersuchenden und die umstehenden Personen wird reduziert.
Durch chemisches Schnüffeln können nur bestimmte Objekte angezeigt werden, und es ist manchmal möglich, diese Objekte abzuschirmen bzw. zu verhüllen, wenn die betreffende Person weiß, daß die Objekte einer chemischen Schnüffeluntersuchung unterzogen werden.
Ein entscheidender Vorteil vorliegender Erfindung besteht darin, daß, wenn es einmal bekannt wird, daß Objekte wie Sprengstoffe und Drogen leicht und sicher durch eine Vorrichtung nach der Erfindung angezeigt werden können, und daß es nicht möglich ist, den Inhalt in einem Koffer in irgendeiner Weise abzuschirmen, solche Objekte nicht mehr in Koffern mitgeführt werden und die Sicherheit der Reisenden dadurch erheblich verbessert wird.

Beschreibung der Erfindung

Es ist bereits seit einiger Zeit bekannt, die akustischen Wellen zu messen, die vom Boden des Ozeans abprallen, um die Art von Material zu bestimmen, aus dem der Untergrund des Ozeans besteht. Diese Technik wird bei einer Anzeigevorrich tung nach der Erfindung angewandt und zur Erzielung einer verbesserten Anzeigevorrichtung weiterentwickelt.
Vorliegende Erfindung befaßt sich ferner mit einem akustischen Sensor zum Aufnehmen der reflektierten und übertragenen oder gebrochenen akustischen Signale, der das Signal-Rausch- Verhältnis des empfangenen Signals verbessert.
Die Technik nach der Erfindung kann ein laseroptisches Anzeigesystem, das aus einem Laser und einem Diodenempfänger besteht, verwenden. Die Empfindlichkeit des Diodenempfängers ist in bezug auf die Verschiebung des empfangenen Laserstrahles aus einer optimalen Position linear. Der Laserstrahl prallt von der Oberfläche des Gehäuses oder dgl. ab und trifft auf die Empfängerdiode auf. Das akustische Signal, das auf das Gehäuse oder dergl. gerichtet ist, bewirkt daß die Oberfläche dieses Gehäuses in Vibrationen versetzt wird. Diese Vibrationen bewirken, daß der Laserstrahl die Anzeigediode bei kleinen Verschiebungen aus einer Position stationären Zustandes trifft. Da die Empfindlichkeit der Diode sich mit der Verschiebung ändert, wird die Intensität des empfangenen Laserstrahles durch das akustische Signal moduliert. Die Konfiguration der optischen Anzeige kann aus anderen Konfigurationen bestehen, einschließlich optischem Zerhacken, Interferometern, Lichtmodulationstechniken, die alle jeweils von den zu prüfenden Gegenständen abhängig sind.
Die Vorrichtung nach vorliegender Erfindung arbeitet in ähnlicher Weise wie ein "akustisches Radar". Ein Impuls bekannter Energie wird gegen die Umkleidung bzw. das Gehäuse gerichtet, die bzw. das ein anzuzeigendes Objekt umschließt. Das reflektierte Signal wird von der Oberfläche der Umkleidung bzw. des Gehäuses aufgenommen und seine Intensität wird in bezug auf die Zeit analysiert. Das empfangene Signal liegt auch in Form eines Impulses vor. Der Beginn des Impulses ist das Signal, das von der Oberfläche der Umkleidung bzw. des Gehäuses reflektiert wird. Wenn die Periode des Impulses fortschreitet, wird die augenblickliche Größe eine Eigenschaft von Begrenzungen der Objekte sein, die das Signal von immer tieferen Stellen innerhalb der Umkleidung oder des Gehäuses reflektieren. Die "Zeitfenster" innerhalb des Impulses werden in bezug auf die Intensität oder Energie des empfangenen Signales analysiert, und diese Daten werden verarbeitet, um die akustische Impedanz des die Begrenzung ausmachenden Materials zu bestimmen.
Ein ähnlicher Detektor, der auf einer Seite der Umkleidung oder des Gehäuses entgegengesetzt zum Übertrager bzw. Meßwandler angeordnet ist, empfängt ein Signal, das durch die Umkleidung oder das Gehäuse und die darin befindlichen Objekte übertragen oder gebrochen worden ist. Dieses Signal wird ferner in bezug auf Zeit und Energiegehalt analysiert. Akustische Absorptions- und Geschwindigkeitsparameter werden bestimmt.
Die "Signatur" der Substanz innerhalb der Umkleidung oder des Gehäuses wird dann bestimmt, und diese "Signatur" wird mit computergespeicherten Signaturen bekannter Substanzen verglichen, um eine Anpassung zu erzielen. Die Ausgabe an den Operator kann ein Ausdruck oder eine geschriebene Sichtanzeige sein, die die ermittelten Substanzen auflistet. Aus Vereinfachungsgründen kann das Programm, das den Vergleich durchführt und die Sichtanzeige erzeugt, auf die Notwendigkeiten des Operators zugeschnitten werden. Beispielsweise kann im Flughafenbereich das Programm so gewählt werden, daß nur kontrollierte Substanzen ausgedruckt werden, die in einem Flugzeug nicht mitgeführt werden dürfen. Derartige kontrollierte Substanzen sind natürlich Sprengstoffe und Drogen.
Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist es nicht möglich, den Empfänger so zu positionieren, daß er das gesendete oder gebrochene Signal auf der anderen Seite des anzuzeigenden Objektes aufnimmt, da dieses Objekt in Erde oder dgl. untergebracht ist. Bei dieser Ausführungsform wandert das gebrochene Signal, d.h. das Signal, das beim Durchlaufen einer Zwischenfläche zwischen zwei Objekten mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen gebrochen worden ist, um einen Abstand in einer Richtung etwa senkrecht zur Richtung des ursprünglichen Signales und kann dann auf der gleichen Seite des Objektes angezeigt werden, auf der der Übertrager bzw. Meßwandler angeordnet ist. Bei der zweiten Ausführungsform befinden sich somit die Übertragereinheit, die Empfängereinheit zum Aufnehmen des reflektierten Signales, und die Empfängereinheit zum Aufnehmen des gebrochenen oder übertragenen Signales alle auf der gleichen Seite des anzuzeigenden Objektes. Die Empfängereinheit, die das gebrochene oder übertragene Signal empfängt ist um einen größeren Abstand von der Übertragereinheit entfernt als der Empfänger, der das reflektierte Signal aufnimmt.
Nach einem Aspekt vorliegender Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verwendung für die Anzeige der Art von Material eines Objektes, das innerhalb einer Umkleidung oder eines Gehäuses angeordnet ist, die bzw. das eine hohle, kasten- oder schachtelförmige Gestalt hat, oder eines Objektes, das in Erde, oder anderes Material, das relativ nahe der Oberfläche liegt, eingesetzt ist, gekennzeichnet durch eine akustische Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Impulses akustischer Energie auf einer ersten Seite der Umkleidung oder des Gehäuses, oder gegen Erde oder anderes Material,
eine erste akustische Empfängervorrichtung zum Aufnehmen akustischer Energie, die von dem Objekt reflektiert worden ist, um ein reflektiertes akustisches Energiesignal zu erzeugen,
eine zweite akustische Empfängervorrichtung zum Aufnehmen akustischer Energie, die durch das Objekt übertragen oder gebrochen worden ist, um ein übertragenes oder gebrochenes akustisches Energiesignal zu erzeugen,
einen Signalprozessor, der mit der Übertragungsvorrichtung und mit der ersten und zweiten Empfängervorrichtung verbunden ist, und der den übertragenen Impuls akustischer Energie, das reflektierte akustische Energiesignal und das übertragene oder gebrochene Energiesignal verarbeitet, um eine das Objekt bezeichnende Objektsignatur zu erzeugen und
eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der Objektsignatur mit der Signatur bekannter Objekte, um die Substanz dieses Objektes zu bestimmen.
Nach einem weiteren Aspekt vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der Materialart eines Objektes, das innerhalb einer Umkleidung oder eines Gehäuses angeordnet ist, die bzw. das ein hohles, schachtel- oder kastenförmiges Gebilde, oder ein in Erde oder ein anderes, relativ nahe der Oberfläche angeordnetes Material eingesetztes Objekt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Impuls akustischer Energie eines bekannten Pegels einer ersten Seite der Umkleidung oder des Gehäuses und dem Objekt in der Umkleidung oder dem Gehäuse, oder gegen Erde oder anderes Material aufgegeben wird,
daß die reflektierte akustische Energie, die von einer Oberfläche des Objektes reflektiert wird, zur Erzielung eines reflektierten akustischen Signals angezeigt wird,
daß die übertragene oder gebrochene akustische Energie, die durch das Objekt übertragen oder gebrochen wird, zur Erzielung eines übertragenen oder gebrochenen akustischen Signals angezeigt wird,
daß die reflektierten und übertragenen oder gebrochenen akustischen Signale so verarbeitet werden, daß eine akustische Signatur des Objektes erzielt wird, und
daß die so erzielte Signatur des Objektes mit Signaturen bekannter Objekte verglichen wird, um die Substanz des Objektes zu bestimmen.
Vorliegende Erfindung wird nachstehend im einzelnen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figuren 1a und 1b schematische Schaltbilder einer ersten und einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines laserakustischen Empfängers nach der Erfindung,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Ausgangs in Abhängigkeit von der Verschiebung eines Diodendetektors, der bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Systems nach der Erfindung,
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das die bei der Signalverarbeitung ausgeführten Schritte darstellt, um die akustischen Parameter und damit die Materialsignatur abzuleiten,
Fig. 6 eine graphische Darstellung, die drei akustische Parameter bestimmter Materialien, die für die Klassifizierung aufgetragen sind, zeigt (jede Spalte steht für eine bestimmte Materialtype - die Darstellung zeigt weiche bis harte Materialien) und
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Frequenz und die absorbierte Verschiebung für einen Koffer, für eine Substanz und für den Koffer und die aus der Vorrichtung nach der Erfindung abgeleitete Substanz in Zusammenhang setzt. Diese graphische Darstellung wäre die vierte Variable für jede in Fig. 6 gezeigte Substanz.

Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1A nimmt ein Koffer 20 ein Objekt 22 auf, dessen Inhalt bestimmt werden soll.
Ein akustischer Übertrager 24 bekannter Ausführung ist gegen eine Frontseite 26 des Koffers 20 gerichtet. Der Übertrager 24 sendet einen akustischen Impuls bekannter Energie gegen die Seite 26. Ein Teil der Energie des Impulses wird an der Oberfläche 26 reflektiert, und ein Teil der Energie des Impulses durchdringt den Koffer und kommt in Kontakt mit dem Objekt 22. Da das Objekt 22 andere akustische Eigenschaften als die Luft innerhalb des Koffers hat, wird ein Teil der Energie des Impulses von der Oberfläche 28 des Objekts 22 reflektiert. Ein Teil der Energie des Impulses wird durch das Objekt übertragen oder gebrochen. Ein Teil dieser verbleibenden akustischen Energie wird an der Rückseite 30 des Objekts reflektiert, weil die Rückseite eine Grenzfläche zwischen Objekten mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen darstellt. Ein Teil der Energie des übertragenen Impulses durchdringt die Rückseite 22 des Koffers. Die Energie des Impulses, die reflektiert wird, wird von einem akustischen Detektor 34 aufgenommen, der auf der gleichen Seite des Koffers 20 wie der akustische Übertrager (Meßwandler) 24 angeordnet ist. Die Energie des Impulses, die den Koffer und das Objekt 22 durchdrungen und den Koffer auf der Seite 32 verlassen hat, wird von einem akustischen Detektor 36 angezeigt. Der akustische Detektor 36 kann an den Längsseiten des Koffers positioniert sein, um die gebrochene Energie anzuzeigen. Auf diese Weise können äquivalente Resultate und/oder Mehrfach-Detektoren 36 verwendet werden, falls der jeweilige Anwendungsfall dies sinnvoll macht.
Ein Signalprozessor 38 erzeugt einen elektrischen Energieimpuls und sendet diesen Impuls auf der Leitung 40 an den akustischen Übertrager 24, der ihn in einen Impuls akustischer Energie umwandelt. Der Signalprozessor 38 erzeugt und speichert die elektrischen Parameter, z.B. die Impulsbreite und die Energie des elektrischen Impulses, die dem akustischen Übertrager 24 zugeführt worden ist. Die aus den Empfängern 34 und 36 aufgenommenen Signale werden an den Signalprozessor über Leitungen 42 und 44 gesendet.
Der Signalprozessor 38, der im einzelnen weiter unten beschrieben wird, verarbeitet die aufgenommenen Signale in bezug auf den übertragenen Impuls und bestimmt die akustische Impedanz, die akustische Absorption und die akustische Geschwindigkeit des übertragenen Signals im Objekt 22, um dessen akustische Signatur zu bestimmen. Die Parameter werden ferner so verarbeitet, daß die Materialdichte, der Elastizitätsmodul für Druck, die Porosität usw. bestimmt wird, damit in Kombination mit der Impedanz, der Geschwindigkeit und der Absorption eine akustische Signatur für das Objekt gewonnen wird. Diese Signatur wird dann mit bekannten akustischen, im Prozessor 38 gespeicherten Signaturen verglichen, und die Art der Substanz des Objekts bestimmt.
Diese Information wird dann an eine Sichtanzeige 46 gegeben, die ein Bildschirm eines Druckers sein kann.
Fig. 1b zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die die Substanz eines in Erde angeordneten Objekts anzeigt und bestimmt. Der Signalprozessor 38 erzeugt einen elektrischen Impuls, der über die Leitung 40 gesendet und durch den akustischen Übertrager 24 in einen akustischen Impuls umgewandelt wird. Der akustische Impuls ist gegen die Erde gerichtet und wird solange bewegt, bis die Sichtanzeige ein Objekt erfaßt. Dies ist der Fall, wenn der akustische Impuls die Erde durchdringt und auf das Objekt 32 auftrifft. Ein Teil des akustischen Impulses wird von der Oberfläche des Objekts reflektiert und das reflektierte Signal wird von einem akustischen Empfänger 34 aufgenommen. Ein Teil des übertragenen Impulses wird von dem Objekt 32 gebrochen und wird von der Seite des Objekts weg in Richtung etwa senkrecht zur Richtung des übertragenen Impulses gerichtet. Der Teil des gebrochenen akustischen Signals wird von dem Übertrager oder von dem akustischen Empfänger aufgenommen. Damit der Empfänger 36 das gebrochene Signal aufnehmen kann, ist er in einem größeren horizontalen Abstand von dem Objekt als der Empfänger 34 angeordnet. Die Empfänger 34 und 36 sind mit dem Signalprozessor 38 über Leitungen 42 und 44 verbunden. Der übrige Teil der Betriebsweise dieser Ausführungsform ist gleich der in Verbindung mit Fig. 1a beschriebenen. Die eigentliche Signalverarbeitung wird nachstehend erörtert.
Die Figuren 2 und 3 dienen dazu, ein erfindungsgemäßes akustisches Anzeigesystem zu beschreiben. Ein Laser 48 erzeugt einen Strahl 50, der auf eine Oberfläche 26 der Umkleidung auftrifft. Der Strahl wird an der Oberfläche 36 reflektiert und trifft auf einen optischen Detektor 52. Der Detektor 52 kann eine optische Diode sein, die einen Spannungsausgang proportional der Größe der empfangenen Lichtenergie erzeugt. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Ausgangsspannung als eine Funktion der Verschiebung des aufgenommenen Lichtstrahles gegenüber einem Festpunkt S zeigt. Wenn der Strahl sich weiter vom Punkt S in der einen oder anderen Richtung wegbewegt, ändert sich der Spannungsausgang V. Der akustische Impuls, der von dem akustischen Übertrager 24 übertragen wird, bringt die Oberfläche 26 der Umkleidung direkt in Schwingungen. Die von der Oberfläche eines Objektes innerhalb der Umkleidung reflektierte akustische Energie versetzt ebenfalls die Oberfläche 26 der Umkleidung in Schwingungen. Die Schwingungen der Oberfläche 26 verschieben die Kontaktstelle des Laserstrahles auf der Oberfläche der Umkleidung und damit die Auftreffstelle de s Laserstrahles auf die Fotodiode im Laserdetektor 52. Die Spannung am Ausgang des Detektors 52 ändert sich in Abhängigkeit von den Schwingungen der Oberfläche 26. Es wurde festgestellt, daß eine derartige Anordnung die Anzeige sehr kleiner Signale ermöglicht, während ein gutes Signal-Rausch- Verhältnis aufrecht erhalten wird.
Die Empfänger 34 und 36 können, wie vorstehend beschrieben, Laserempfänger sein, sie können aber auch als bekannte Mikrophone oder Geophone ausgebildet sein.
Ein typisches Blockschaltbild vorliegender Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Der Einfachheit halber zeigt Fig. 4 nur einen einzigen Empfänger. Der Empfänger weist einen Laser 48, einen Strahl 50 und eine Fotodiode 52 auf. Der Strahl 50 wird am Objekt 32, dessen Substanz bestimmt werden soll, auf die Fotodiode 52 reflektiert. Der einzige in Fig. 4 dargestellte Empfänger wird durch einen akustischen Übertrager oder Lautsprecher 24 gepulst. Der übertragene akustische Impuls wird durch ein äquivalentes elektrisches Signal erzeugt, das digital durch den Signalgenerator 51 erzielt wird. Das digitale Signal wird in ein analoges Signal durch den Digital/Analog-Wandler 53 umgewandelt und wird durch das Filter 54, den Isolator 56 und den Leistungsverstärker 58 geformt und in den Lautsprecher 24 eingeführt.
Das empfangene Sign al wird zuerst von einem Gleichstrom- Wandler 60 angezeigt, der den mittleren Pegel des Diodenausgangs für Eichzwecke mißt. Das gleiche empfangene Signal wird ferner über ein Bandpaßfilter 62 und einen Signalverstärker 64 gespeist, um ein Signal mit einem guten Signal- Rausch-Verhältnis zu erhalten. Das resultierende Signal kann zur weiteren Verarbeitung in einem FM-Bandaufzeichnungsgerät 66 augezeigt werden. Dieses Aufzeichnungsgerät zeichnet auch den empfangenen Gleichstrom-Signalpegel aus dem Gleichstromwandler 60 und die Parameter des übertragenen Impulses aus dem Digital/Analog-Wandler 53 auf.
Der aufgenommene Gleichstrom-Signalpegel wird einem Rechner 69 zugeführt, in dem er dann durch einen Analog/Digital- Wandler 68 digitalisiert und von der Programmsteuerung verwendet wird, die in Fig. 4 allgemein als Block 70 dargestellt ist. In ähnlicher Weise wird das verstärkte, empfangene Signal in den Rechner 69 eingespeist, wo es ebenfalls durch einen Analog/Digital-Wandler 72 digitalisiert wird. Das digitale Resultat wird ferner dem Programmsteuerblock 70 zugeführt. Die Programmsteuerung verarbeitet dann die aufgenommenen Daten so, daß die Objektsignatur erhalten wird. Dies ist in Fig. 4 mit Block 71 dargestellt, der als Berechnung der statistischen Eigenschaften identifiziert ist. Das reflektierte, aufgenommene Signal wird in exakt gleicher Weise verarbeitet und in den Block 71 eingeführt. Die Resultate der Berechnungen, die im Block 71 ausgeführt werden, werden auf einem Drucker 74 ausgedruckt. Anstelle eines Druckers 74 kann eine andere Sichtanzeigevorrichtung verwendet werden.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, das die Betriebsweise des Blocks 72 zeigt.
Die Geschwindigkeit der akustischen Welle wird am Block 76 berechnet. Dies geschieht durch Messen der Wanderungsdauer von der Übertragung bis zur Aufnahme an jedem Empfänger und von jeder reflektierten Grenzfläche von Objekten innerhalb der Umkleidung (Gehäuse), und durch Feststellung der Geschwindigkeit c.
Die akustische Impedanz des Objekts wird im Block 78 berechnet. Die Verschiebung Y des Objekts oder der Seite der Umkleidung wird gemessen, indem beispielsweise die laseroptische Diodenausführung, die in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 beschrieben wurde, verwendet wird. Die Energie des akustischen Impulses ist bekannt, und der zugehörige Druck p des akustischen Impulses auf das Objekt kann festgestellt werden. Wenn das Objekt innerhalb der Umkleidung angeordnet ist, muß dieser Vorgang in Stufen durchgeführt werden. Zunächst wird der Druck an der Grenzfläche der Seite der Umkleidung bestimmt. Andere Parameter werden dann für die Umkleidung berechnet und diese Parameter werden verwendet, um den Einfluß der Umkleidung auf den zugehörigen Druck auf der nächsten Objektgrenzfläche innerhalb der Umkleidung zu berechnen. Diese nächste Grenzfläche kann an dem zu prüfenden Objekt sein. Der Impuls akustischer Energie hat eine Frequenz f, die bekannt ist. Die akustische Impedanz Z wird dann bestimmt, wobei gilt Z = p/(2πfY).
Die Objektdichte wird im Block 80 berechnet, indem lediglich die Impedanz durch die Geschwindigkeit geteilt wird.
Anschließend wird die Absorption im Block 82 berechnet. Sind der Quellendruck p und die Impedanz an jeder Grenzfläche bekannt, ist die Berechnung des Signalpegels ohne Absorption möglich. Ein Vergleich des Signales an mehr als einem Empfänger ermöglicht eine Schätzung des Signalverlustes aufgrund von Absorption. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Absorption dadurch berechnet wird, daß die Höhe der Energie festgestellt wird, die durch ein gegebenes Objekt wandert, und daß dies mit dem echten Wert verglichen wird, der hindurchgegangen sein sollte, wobei sich die Impedanzunterschiede an der Grenzfläche des Objektes ergeben.
Schließlich wird die Porosität des Objekts am Block 84 durch Vergleich mit im Speicher 86 gespeicherten Tabellen bestimmt. Der Speicher 86 speichert empirische Tabellen, die sich auf die Dichte, die Absorption und die Geschwindigkeit mit der Porosität beziehen.
Die vorgenannten berechneten Materialparameter bilden die Signatur des Objekts, und diese Daten werden im Block 88 gespeichert. Korrelationen bekannter Substanzen werden im Speicher 90 gespeichert. Die Vergleichsvorrichtung 92 paßt die im Block 88 gespeicherte Substanzsignatur an die Tabelle von im Speicher 90 gespeicherten Signaturen an, um einen die Substanz identifizierenden Ausgang zu erzeugen. Die Substanz wird dann auf einer Ausgabevorrichtung, z.B. einem Drucker 94, sichtbar gemacht.
Fig. 6 zeigt verschiedene typische Materialien A, B, C, D, E, F, G und H, die von harten Materialien bis zu weichen Materialien reichen. Jedes Material hat eine eingeprägte Geschwindigkeit (vertikaler Balken) für jede Dichte und akustische Impedanz. Für jeden dieser Balken existiert eine Absorptionskurve, wie in Verbindung mit Fig. 4 nachstehend erläutert wird. Die praktische Verweidung dieser Technik macht die Ausschaltung des Einflusses der Kofferwand erforderlich, was ebenfalls in Verbindung mit Fig. 7 erläutert wird.
Fig. 7 zeigt die Resultate eines Experiments, das zur Prüfung der verwendbaren Frequenzen und auch zur Erzielung einer Korrelation für ein absorbiertes akustisches Signal eines leeren Koffers, einer Substanz allein und einer in einem Koffer eingeschlossenen Substanz verwendet wird.
Die Achsen der graphischen Darstellung nach Fig. 7 sind als der Logarithmus der Verschiebung des Laserstrahles, der in den Figuren 2 und 3 beschrieben ist, in Abhängigkeit von der Frequenz geeicht. Aus der graphischen Darstellung ergibt sich, daß im Frequenzbereich von 2000 bis 4000 Hz eine gute Korrelation besteht, und daß dann, wenn das Koffersignal von dem Koffer-Substanz-Signal subtrahiert wird, eine enge Korrelation zu dem Substanz-Signal (Substanz allein) erhalten wird. Dies zeigt, daß es möglich ist, bestimmte Eigenschaften einer Substanz, die innerhalb einer Umkleidung vorgesehen ist, nach vorliegender Erfindung zu bestimmen.

Claims

1. Vorrichtung zur Verwendung für die Anzeige der Art von Material eines Objektes, das innerhalb einer Umkleidung oder eines Gehäuses angeordnet ist, die bzw. das eine hohle, kasten- oder schachtelförmige Gestalt hat, oder eines Objektes, das in Erde oder anderes Material, das relativ nahe der Oberfläche der Vorrichtung liegt, eingesetzt ist, gekennzeichnet durch

eine akustische Übertragervorrichtung (24) zum Übertragen eines Impulses akustischer Energie auf einer ersten Seite (26) der Umkleidung oder gegen die Erde oder anderes Material,

eine erste, akustische Empfängervorrichtung (34) zum Aufnehmen akustischer Energie, die von dem Objekt (24) reflektiert worden ist, um ein reflektiertes akustisches Energiesignal zu erzeugen,

eine zweite akustische Empfängervorrichtung (36) zum Aufnehmen akustischer Energie, die durch das Objekt übertragen oder gebrochen worden ist, um ein übertragenes oder gebrochenes akustisches Energiesignal zu erzeugen, einen Signalprozessor (38), der mit der Übertragervorrichtung und mit der ersten und zweiten Empfängervorrichtung verbunden ist, und der den übertragenen Impuls akustischer Energie, das reflektierte akustische Energiesignal und das übertragene oder gebrochene akustische Energiesignal verarbeitet, um eine das Objekt bezeichnende Objektsignatur zu erzeugen, und

eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der Objektsignatur mit der Signatur bekannter Objekte, um die Substanz dieses Objektes zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung (46) zur Erzielung einer Anzeige der Substanz des Objektes vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkleidung oder das Gehäuse ein kastenförmiges Gebilde ist und daß der erste Empfänger (34) auf der ersten Seite und der zweite Empfänger (36) auf einer Seite des Kastens gegenüber der ersten Seite angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennezeichnet, daß bei in Erde eingegrabenen Objekten die ersten und zweiten Empfänger (34, 36) über dem Objekt angeordnet sind, wobei der zweite Empfänger weiter von dem Übertrager beabstandet ist als der erste Empfänger.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Empfänger (34, 36) Mikrophone sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Empfänger (34, 36) Geophone sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Empfängervorrichtung (34, 36) aufweisen:

einen Laser (48) zur Erzeugung eines Laserstrahles (50), der auf die erste Seite (26) der Umkleidung oder des Gehäuses gerichtet ist,

einen Photodiodenempfänger (52) zum Empfangen des Laserstrahles, nachdem dieser von der Seite oder der Umkleidung bzw. des Gehäuses reflektiert worden ist, wobei der Photodiodenempfänger ein Signal einer Größe erzeugt, das sich in Bezug auf die Verschiebung des Laserstrahles von einer Bezugsposition auf dem Fotodiodenempfänger ändert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Empfängervorrichtungen (34, 36) aufweisen:

einen Laser (48) zur Erzeugung eines Laserstrahles (50), der auf die Seite der Umkleidung bzw. des Gehäuses gerichtet ist,

einen Fotodiodenempfänger (52) zum Empfangen des Laserstrahles, nachdem dieser von der genannten Seite der Umkleidung reflektiert worden ist, wobei der Fotodiodenempfänger ein Signal einer Größe erzeugt, das sich in Bezug auf die Verschiebung des Laserstrahles von einer Bezugsposition auf dem Photodiodenempfänger ändert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (38) das reflektierte akustische, das übertragene oder das reflektierte akustische Energiesignal zur Erzeugung einer akustischen Impedanz, einer akustischen Absorption, einer akustischen Geschwindigkeit und einer Porosität des Objektes verarbeitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (38) das reflektierte akustische, das übertragene oder das reflektierte akustische Energiesignal zur Erzeugung einer akustischen Impedanz, einer akustischen Absorption, einer akustischen Geschwindigkeit und einer Porosität des Objektes verarbeitet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signatur des Objektes aus der akustischen Impedanz, Absorption, Geschwindigkeit und Porosität des Objektes abgeleitet ist.

12. Verfahren zum Bestimmen der Materialart eines Objektes, das innerhalb einer Umkleidung oder eines Gehäuses angeordnet ist, die bzw. das ein hohles, schachtel- oder kastenförmiges Gebilde, ein in Erde eingesetztes Objekt, oder ein anderes Material, das relativ nahe der Oberfläche angeordnet ist, darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Impuls akustischer Energie eines bekannten Pegels einer ersten Seite der Umkleidung oder des Gehäuses und dem Objekt in der Umkleidung oder dem Gehäuse oder gegen die Erde oder anderes Material aufgegeben wird, daß die reflektierte akustische Energie, die von einer Oberfläche des Objektes reflektiert wird, zur Erzielung eines reflektierten akustischen Signals angezeigt wird, daß die übertragene oder gebrochene akustische Energie, die durch das Objekt übertragen oder gebrochen wird, zur Erzielung eines übertragenen oder gebrochenen akustischen Signals angezeigt wird,

daß die reflektierten und übertragenen oder gebrochenen akustischen Signale so verarbeitet werden, daß eine akustische Signatur des Objektes erzielt wird, und daß die so erzielte Signatur des Objektes mit Signaturen bekannter Objekte verglichen wird, um die Substanz des Objektes zu bestimmen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt ferner die Berechnung der akustischen Impedanz des Objektes, der akustischen Absorption des Objektes, der akustischen Geschwindigkeit in dem Objekt, und der Porosität des Objektes berechnet wird, und daß Impedanz, Absorption, Geschwindigkeit und Porosität verwendet werden, um die akustische Signatur zu bestimmen.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkleidung oder das Gehäuse ein kastenfömriges Gebilde ist und daß die reflektierte akustische Energie auf der ersten Seite der Umkleidung oder des Gehäuses angezeigt und die übertragene oder gebrochene akustische Energie auf einer Seite der Umkleidung oder des Gehäuses, die der ersten Seite gegenüberliegt, angezeigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei in Erde eingesetzten Objekten die reflektierte akustische Energie und die übertragene oder gebrochene Energie von oberhalb der Erde angezeigt werden, wobei die übertragene oder gebrochene akustische Energie an einer Stelle, die weiter von dem Objekt entfernt liegt als die reflektierte akustische Energie, angezeigt wird.