WO2019170648A1 - Verfahren zur ermittlung zumindest eines physikalischen parameters eines systems unter ausnutzung der reflexion von einem referenzobjekt - Google Patents

Verfahren zur ermittlung zumindest eines physikalischen parameters eines systems unter ausnutzung der reflexion von einem referenzobjekt Download PDF

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modulated
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Ingmar Kallfass
Christopher Grötsch
Benjamin Schoch
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Universität Stuttgart
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Definitions

  • the subject of the present application relates to a method, a device and a system for determining at least one physical parameter of a system, in particular distances and material properties between reflection objects, taking advantage of the reflection from a reference object.
  • Radar is the abbreviation for "radio detection and ranging” and describes various detection and location methods based on electromagnetic waves in the radio frequency range.
  • a commonly used radar method is the continuous wave radar method, which involves continuously transmitting a high frequency electromagnetic wave in one direction. If this electromagnetic wave strikes a reflection object, part of the energy is reflected as an echo signal and detected by a receiver.
  • the transmission signal has a constant frequency with a constant amplitude.
  • the received echo signal has either the same or, if the reflection object moves, a frequency deviating due to the Doppler effect.
  • the frequency of the received signal is compared in a receiver-side mixer stage with the emitted signal and determines the relative speed of the reflection object to the receiver. A measurement of the distance of the reflection object is not possible.
  • a special subform of the continuous wave radar is the frequency modulated continuous wave radar.
  • the operating frequency of the transmission signal changes periodically during the measurement, so that in addition to the speed measurement, a distance measurement due to the detection possibility of the transit time difference between the transmitted and received signal! can be carried out.
  • the resolution and measuring range can be defined by selecting the frequency deviation and the rate of change of the transmitted signal.
  • An alternative radar method is the monostatic radar method in which the transmitter and receiver use the same antenna.
  • An exemplary implementation is the pulse radar, which emits temporally short and powerful pulses and receives their reflected echo signals.
  • the pulse radar is particularly suitable for measuring the distance of reflective objects.
  • the use of an antenna for transmitting and receiving a timing of the processes, and a large break between the individual transmission pulses is necessary.
  • the received echo signals are compared with the transmitted signal in a receiver-side mixer stage. This leads to a not inconsiderable complexity and to a limited dynamic range of the receiver.
  • passive radar is a locating technique that itself does not emit electromagnetic energy to analyze its reflected echo. Instead, echo signals from non-system radio waves, for example from round or mobile radio towers, are detected and evaluated. As a result, when the source is in a known position, a moving reflective object in the radiation field of the transmitter can be identified and, for example, its distance and speed can be determined. However, this method requires a very high computing power because of the complicated and complex calculations in the signal evaluation.
  • the passive radar is a sub-form of the bi-static radar method, which consists of a transmitter and a receiver, wherein the transmitter and receiver are spatially separated and whose distance is equal to or greater than the distance to the object to be detected.
  • Another sub-form of the bi-static radar method is the "forward scatter radar", in which an object located in the direct line between transmitter and receiver creates a shadow at the receiver.
  • the radar methods described and suitable for determining distances between reflection objects all have a common time base between transmitter and receiver, i. Transmitter and receiver must work coherently. In addition, they have a high system complexity and a limited dynamic range, especially on the receiver side. However, these are necessary to obtain accurate and unambiguous measurements of the distances between the transmitter and receiver and the object of reflection. However, in many cases, the exact distance between transmitter / receiver is not the size sought, but rather the relative distance between individual ones
  • Reflection objects is possible with significantly less technical effort and higher dynamics than is required for the listed radar methods.
  • Reflection objects in the absence of coherence or common time or frequency base between transmitter and receiver, as well as reduced
  • a first aspect for achieving the object relates to a method for determining at least one physical parameter of a system having at least two reflection objects, comprising the steps:
  • Generating a transmission signal comprising at least one modulated wave Receiving a first receive signal, wherein the first receive signal is based on the transmit signal reflected by a first reflectance object;
  • the determination of the at least one physical parameter of the system takes place without involving or using the transmission signal.
  • the determination of the at least one physical parameter preferably takes place by mixing two or more received signals, without utilizing the transmitted signal.
  • At least one physical parameter of a system in particular distances between reflection objects, in the absence of coherence or common time or frequency base between transmitter and receiver, as well as reduced receiver complexity and increased dynamic range are determined.
  • a transmission signal can be understood in particular to be an electromagnetic radiation, such as radar beams, in particular in the microwave range (3 GHz-30 GHz), millimeter wave frequency range (30 GHz-300 GHz), submillimeter wave frequency range (300 GHz). 3 THz), infrared, visible light, ultraviolet or X-radiation, in particular a generated by a signal generator electromagnetic wave with a characteristic time course, which is radiated by means of a transmitting antenna or can be.
  • a particularly preferred frequency range is between about 300 MHz to about 300 GHz.
  • a transmission signal may, in particular, be understood to be an acoustic wave, such as e.g. a longitudinal wave and / or a transverse wave.
  • An acoustic wave can be generated in this case for example by a sound transducer based on a piezoelectric crystal.
  • the acoustic wave can be received by a microphone, which causes harmonics or distortions.
  • a preferred frequency range is in the ultrasonic range above 20 kHz, which includes in particular the frequency range of the acoustic microscopy.
  • the transmission signal may comprise at least one modulated electromagnetic wave and / or at least one modulated acoustic wave.
  • the use of at least one modulated electromagnetic wave and at least one modulated acoustic wave can in particular increase the scope of the method.
  • a modulated wave can in this case be generated in particular by a frequency modulation, for example in accordance with a linear, triangular frequency ramp or in accordance with a rising and falling frequency ramp.
  • a frequency modulation is, for example, a non-linear frequency ramp.
  • other types of modulation such as amplitude modulation, phase modulation and / or pulse width modulation are conceivable.
  • a received signal is understood in particular to be an electromagnetic radiation and / or acoustic waves, which is received by means of a receiving antenna.
  • the received signal comprises the transmission signals reflected by one or more reflection objects.
  • Electromagnetic radiation and / or acoustic waves are at least partially reflected at interfaces between propagation media with different characteristic impedance or refractive index upon impact, and as a rule only part of the energy of the incident radiation is reflected back (partial reflection).
  • a distance between the first reflection object and the second reflection object can be determined based on the first received signal and the second received signal.
  • the distance between the first reflection object and the second reflection object is a physical parameter of the system.
  • physical parameters of the propagation medium between the first reflection object and the second reflection object can be known, measured, and / or estimated.
  • the parameters of the propagation medium may be approximately known from parameter intervals / ranges.
  • the propagation medium may be the first reflection object, in which case the first reflection object and the second reflection object adjoin one another, in particular along at least one propagation direction of the transmission signal.
  • the medium may preferably comprise at least one dielectric and / or mechanical property of the medium, for example the propagation constant or the permittivity of the medium between the first reflection object and the second reflection object.
  • the known distance can be preset, measured and / or estimated.
  • the known distance may be known approximately by distance intervals / ranges.
  • the known distance may be a diameter of the first reflection object, in which case the first reflection object and the second reflection object adjoin one another, in particular along at least one propagation direction of the transmission signal, and the known distance along the propagation direction of the transmission signal is measured.
  • the presence of the medium for example tissue structures and / or known material layers, and / or a material composition of the medium can be assumed or known, whereby further properties of the medium can be determined, for example a liquid content of a fabric or the alignment of material fibers or the density or indirectly the pressure or the level in a more or less filled medium.
  • Specific application examples are e.g. determining the level in a container / container, determining the piston position in a cylinder and / or determining the penetration depth of a piston or a drill.
  • the primary propagation medium of the transmission signal in the context of this invention is air.
  • the radiation hits an object, strong reflection occurs at the surface of the object, so much of the energy of the radiation is reflected.
  • the radiation or waves which are reflected on the surface of the object are received by means of a receiving antenna and correspond to the first received signal.
  • the remaining portion of the radiation or waves of the transmission signal penetrates into the object one or penetrates it and spreads in or behind this further (transmission).
  • the radiation propagating in the object or waves impinges on a second object having a different characteristic impedance or refractive index, a large part of the radiation is reflected on the surface of the second object, referred to as the second reflection object.
  • the radiation or waves reflected at the second reflection object are received by means of a receiving antenna and correspond to the second received signal, wherein preferably the same receiving antenna is used to receive the first received signal and the second received signal.
  • Both the first received signal and the second received signal are based on the same transmission signal and thus have the same characteristic time characteristic. However, the second received signal is delayed in time as compared to the first received signal due to the different distance returned by the transmission signal.
  • the transmitting and receiving antenna are approximately in the same position and are oriented approximately identically, so that the propagation direction of both the transmission signal and the radiation reflected by the first reflection object and / or by the second reflection object along one to the surface of the reflection objects extends substantially perpendicular line.
  • the time delay corresponds to the time required for the transmission signal to travel the double distance between the first reflection object and the second reflection object.
  • the reflection object associated with the first received signal serves as reference object, to which the second reflection object in spatial reference is set.
  • the described method makes it possible to determine the spatial distance between the first reflection object (reference object) and the second reflection object, without knowledge of the characteristics of the transmission signal or without evaluating independent characteristics of the transmission signal.
  • the method described is particularly suitable for applications in which the distance between the transmitting or receiving unit and the object to be examined is insignificant or unknown.
  • the method described is suitable, for example, for non-contact material analysis, such as the determination of layer thicknesses in multi-layer composite materials, as well as for the detection of impurities and foreign bodies. Further applications can be found in medical technology (eg imaging localization of organs, analysis of organic substances), in safety technology (eg personal scanners), in automotive technology (eg distance radar), and in automation and production technology (eg material analysis, detection of production or packaging errors).
  • medical technology eg imaging localization of organs, analysis of organic substances
  • safety technology eg personal scanners
  • automotive technology eg distance radar
  • automation and production technology eg material analysis, detection of production or packaging errors.
  • the transmission signal is a modulated electromagnetic radiation and / or at least one modulated acoustic wave, in particular frequency-modulated electromagnetic radiation and / or frequency-modulated acoustic waves.
  • the electromagnetic radiation and / or the at least one acoustic wave may be phase-modulated and / or amplitude-modulated.
  • the signal generator for generating the transmission signal is preferably a function generator which generates periodic electrical and / or mechanical signals with different waveforms, in particular sine, rectangle, stairs, triangle and sawtooth, with adjustable frequency, phase and amplitude can.
  • a frequency-modulated signal comprises a time-varying frequency, which increases linearly, for example, to abruptly drop to the initial value at a certain value (sawtooth pattern, English: “sawtooth”).
  • the maximum, uniquely ascertainable transit time difference is the duration in which the frequency of the signal rises or falls linearly from the initial value to the final value. This corresponds to the period of the transmission signal, also called "sweep time".
  • the evaluation of the first received signal and the second received signal is performed by means of a mixer stage.
  • the method described has the advantage of reduced receiver complexity and increased dynamic range, in contrast to conventional radar methods. Furthermore, the described method is neither dependent on a distance between the origin of the transmission signal and the first reflection object nor on a distance between the first reflection object and the sensor receiving the first reception signal and the second reception signal.
  • the receiver-side mixer stage preferably has no separate input for the transmission signal (so-called local oscillator). Instead, the first received signal, which is that of the first reflection object (reference object), functions. reflected transmission signal is as a local oscillator of the mixer stage and thus serves as a reference signal. Consequently, the mixer stage is operated with a combined signal of reference and reflection signal (s) on one input.
  • the received signal can be evaluated independently of the transmission signal. In other words, two receive signals are received and evaluated at the receive-side mixer stage, each receive signal being a reflected signal. Contrary to conventional radar systems, the unmodified transmission signal of the transmitter is not received and evaluated. Thus, it is not necessary to know the signal-typical properties of the transmission signal.
  • the method according to a first aspect of the invention there is no common time or frequency basis between transmitter and receiver.
  • the receiver is decoupled from the transmitter.
  • the determination of physical parameters of two or more reflection objects takes place without inclusion of the transmission signal.
  • a simultaneous reception of the first received signal and the second received signal takes place.
  • This can be achieved, for example, by generating a time-continuous transmission signal and / or a time-discrete transmission signal having a pulse duration which leads to a time-overlapping of the first reception signal and the second reception signal at the receiver. Consequently, the method according to the invention differs from conventional methods in which, for example, a propagation time measurement of pulses separated in time takes place between transmission and reception.
  • a physical parameter of the system is determined from a divergence of the modulation between the first received signal and the second received signal (intermodulation effect).
  • a divergence can have a frequency difference, a phase difference and / or an amplitude difference, in particular depending on the selected modulation form of the transmission signal.
  • transmission signal Reference signal
  • a first received signal corresponds to the reference signal, wherein preferably a dominant and / or strong received signal is used as the reference signal.
  • the distance between the transmitter and the first reflection object (for example a boundary layer of an object) can not be determined in the method according to the invention, which however is not required or even advantageous in numerous application scenarios, for example if there is a relative velocity between the radar sensor and the reflection objects, which leads to a Doppler effect, which must be eliminated in the digital signal processing. Therefore, the method according to the invention advantageously represents a reduction in receiver complexity.
  • the method described has improved sensitivity, since all signals to be processed on the receiver side generally have a significantly lower power level than the transmission signal.
  • the receiver can be designed and optimized for low power signals.
  • the second reflection object is at least partially surrounded by the first reflection object.
  • the transmit signal preferably propagates at least partially through the first reflection object and exits therefrom before it is reflected by the second reflection object.
  • the reflection objects to be detected may be positioned such that the second reflection object is located completely or partially within an object.
  • the surface of the object which at least partially surrounds the second reflection object may in particular represent the first reflection object.
  • the transmission signal reflected by the second reflection object propagates at least partially through the transmission signal first reflection object.
  • the reflection objects to be detected can be positioned such that the transmission signal and / or the transmission signal reflected by the second reflection object propagate at least partially through the object which comprises or represents the first reflection object. This is particularly the case when the reflection objects are along a line in the primary propagation direction of the transmission signal.
  • the reflection objects to be detected may be positioned such that the transmission signal propagates through the object representing the first reflection object and exits therefrom before it is reflected by the second reflection object.
  • the transmission signal reflected from the second reflection object propagates through the object representing the first reflection object before being received by the reception antenna. This is particularly the case when the object representing the first reflection object and the object representing the second reflection object are located along a line in the primary propagation direction of the transmission signal and are spaced apart from each other.
  • An example of this preferred embodiment is a distance measurement for motor vehicles in which the transmission signal propagates through the bumper of the vehicle, and wherein the surface of the bumper facing the transmission device acts as a first reflection object.
  • the transmission signal emerges from the bumper and impinges on the second reflection object, which is, for example, a preceding vehicle or is encompassed by it.
  • the transmission signal reflected by the second reflection object propagates through the bumper, the surface of which acts as a first reflection object, exits therefrom and is received by the reception device.
  • the at least one physical parameter of the system in particular a local distance between the first reflection object and the second reflection object is determined based on a divergence of the modulation of the first received signal and the second received signal.
  • the properties of the modulation are used to determine the distance in the three-dimensional space of the first reflection object from the second reflection object. In this case, it can be assumed, for example, that the first reflection object and / or the second reflection object are punctiform.
  • the at least one physical parameter of the system in particular the distance between the first reflection object and the second reflection object, is determined based on a frequency difference between the first received signal and the second received signal.
  • the material properties or the composition of the medium between the first reflection object and the second reflection object are preferably determined by determining the propagation velocity or the attenuation of the electromagnetic and / or a known object with a known distance between the first reflection object and the second reflection object (eg a known pipe diameter or a distance between two plates). or acoustic wave is detected in the medium between the first reflection object and the second reflection object.
  • the transit time difference and in the further the additional distance based on the time shift, in particular delay of the frequency pattern of the second received signal compared to the first received signal can be determined.
  • the distance can be determined on the basis of the time shift, in particular the delay of the phase pattern and / or amplitude pattern of the second received signal compared to the first received signal, are determined.
  • the power level of the second received signal is less than or greater than the power level of the first received signal.
  • the first received signal is determined as the received signal having the maximum power level among all the received signals.
  • the received signal whose power level lies in a predetermined power range is determined as the first received signal.
  • the power range can be selected based on the application of the method, where short measurement distances require lower powers, e.g. an automobile radar.
  • the lower limit of such a power range can be selected by selecting appropriately sensitive receive mixers and depending on the frequency range used. It is also possible for the first received signal and the second received signal to be determined in such a way that the power levels of the two received signals have a predetermined relationship to one another.
  • the reflection property i. the influence of phase and magnitude or delay and delay of incoming electromagnetic waves
  • the reflection property i. the influence of phase and magnitude or delay and delay of incoming electromagnetic waves
  • the absolute thickness of the medium can be determined.
  • relative changes such as a change in position or property of a reflection object with respect to an initial reference or calibration measurement also be determined without further information.
  • the first reflection object in particular its surface, serves as a spatial reference for the position determination of the further reflection objects, the reliable detection of this first reflection object is inherent to a precise localization of the further reflection objects.
  • a large part of the energy of the transmission signal is usually reflected at the surface of the first reflection object, so that the power level of the associated first reception signal is greater than the power levels of the further reception signals, which are caused by reflection at the further reflection objects.
  • the first received signal associated with the first reflection object may in certain cases have only a low power level, for example because of an unfavorable reflection behavior of the radiation of the transmitted signal on the first reflection object, so that only a small part of the radiation energy of the transmission signal is reflected by the first reflection object. Consequently, a majority of the radiation penetrates or penetrates into the object which represents the first reflection object and enters the underlying medium. If this radiation hits there on a second reflection object, which causes a strong reflection of the radiation, the associated second received signal may have a higher power level than the first received signal. This can lead to the second reflection object being recognized as the reference object instead of the first reflection object.
  • the reflection of the transmission signal at the first reflection object may be useful or even necessary to increase the reflection of the transmission signal at the first reflection object.
  • a suitable material with a defined reflection coefficient to the object comprising the first reflection object, a strong reflection of the transmission signal at the first reflection object and thus a high power level of the associated first received signal are generated, so that a secure identification of the first reflection object as a reference object takes place.
  • the application of the material can be accomplished, for example, by foliation and / or painting and / or steaming, eg vapor deposition.
  • the properties of the additionally applied layers can be adapted specifically to the transmitted signal used and / or to the surface or the material properties of the objects which represent the reflection objects in order to achieve an optimum result.
  • a sufficient portion of the radiant energy should enter or pass through the object representing the first reflective object to enable a second received signal reflected from a second reflective object to be reliably detected.
  • a reflection object has a concise reflection behavior, so that the associated received signal can be identified from a multiplicity of received signals and the corresponding reflection object can be used as a reference object.
  • the method further comprises the steps:
  • the at least one physical parameter of the system in the case of a known propagation medium, between the first reflection object and the third reflection object or between the second Reflection object and the third reflection object to be a distance between the first reflection object and the third reflection object or between the second reflection object and the third reflection object.
  • the physical parameter of the medium may in this case preferably comprise at least one dielectric and / or mechanical property of the medium, for example the propagation constant or the permittivity of the medium between the first reflection object and the third reflection object or between the second reflection object and the third reflection object.
  • the method further comprises the steps:
  • nth received signal Receiving an nth received signal, wherein the nth received signal is based on the transmitted signal reflected by an nth reflection object;
  • the at least one physical parameter of the system as described above, with a known propagation medium between the first reflection object and the nth reflection object or between the first
  • Reflection object and the mth reflection object Reflection object and the mth reflection object.
  • the reflection object can be the presence of a medium between the first reflection object and the nth reflection object or between the first reflection object and the mth reflection object or between the nth reflection object and the mth reflection object and / or a physical object
  • Parameters of the medium are determined as the at least one physical parameter of the system.
  • the physical parameter of the medium may in this case preferably comprise at least one dielectric and / or mechanical property of the medium, for example the propagation constant or the permittivity of the medium between the first reflection object and the nth reflection object or between the first reflection object and the mth Reflection object or between the nth reflection object and the mth reflection object.
  • n and m are natural numbers and m is smaller than n.
  • the described method can be used for the detection and distance determination of a multiplicity of reflection objects.
  • the distance from any reflection object to any other reflection object can be determined, or, if the distances between two or more reflection objects are known, the material properties or composition of the media located between the reflection objects.
  • the method further comprises the step:
  • an optical representation based on the received signals may preferably take place. There are various possibilities, depending on the field of application and the objective.
  • displaying the spatial distance between the individual reflection objects corresponding to the interfaces of the individual layers may be sufficient with the aid of a graph to obtain a representation suitable for reliable quality control.
  • the visualization comprises a 2D and / or 3D reconstruction based on a plurality of individual measurements.
  • a 2D reconstruction or a 3D reconstruction of the measurement data is needed, for example for the detection of voids in castings.
  • a multiplicity of individual measurements or investigations of the at least one physical parameter along a line (2D) or over an area (3D) are carried out.
  • a plurality of individual measurements are made along a line on the surface of the object to be examined.
  • these can optionally be filtered and / or depth-dependent amplified and displayed as a volume section.
  • the distance between the positions of the individual measurements determines the resolution of the reconstruction.
  • the inventive method has no common time or frequency base between transmitter and receiver, so that no mixing and / or comparison of the transmission signal can be done with one or more received signals, as is the case for example in the FMCW method.
  • the method according to the invention does not include transit time measurement of signal pulses between the transmission signal and the reception signal (s), as is the case with conventional methods.
  • the determination of the at least one physical parameter takes place by mixing a plurality of received signals without the use of the transmission signal and / or the transmission signal information.
  • a second aspect for achieving the object relates to a device for determining at least one physical parameter of a system having at least two reflection objects, comprising:
  • a receiving device having a receiving antenna, adapted to receive a first received signal, wherein the first
  • the at least one physical parameter of the system in particular the distance between the first reflection object and the second reflection object, based on the first received signal and the second received signal.
  • the receiving device is designed to determine the at least one physical parameter of the system without involving or using the transmission signal.
  • the determination of the at least one physical parameter preferably takes place by mixing two or more received signals, without utilizing the transmitted signal.
  • each reflected signal may comprise at least one modulated electromagnetic wave and / or at least one modulated acoustic wave.
  • An apparatus suitable for carrying out the method according to the first aspect of the invention comprises at least one receiving device, which has a receiver antenna for receiving the received signals.
  • the device is suitable for determining the spatial distance from one another based on the received signals from a first reflection object (reference object) and at least one second reflection object.
  • the at least one time-delayed received signal is compared with the first received signal, which serves as a reference signal.
  • the time delay of the respective received signals corresponds to the duration required for a transmission signal to travel the double distance between the reference object and the respective reflection object.
  • the receiving range of the receiving device i. the solid angle from which the signals are received, adapted to the particular application.
  • a higher-level i.e. Receiver device designed with a small reception angle selects signals from a preferred direction, or signals from non-preferred directions are suppressed.
  • one or more receiving devices may be configured to selectively detect reflection signals whose propagation directions are not substantially parallel to that of the transmission signal. That way you can For example, objects with a surface that is round or not orthogonal to the propagation direction of the transmission signal can be more accurately identified or characterized.
  • Several receiving devices can be designed according to all known methods of electronic beam scanning, eg "phased arrays", in order to determine the angle of incidence of the reflection objects and thus their position.
  • additional devices may optionally be provided which direct reflection signals, which can not be received directly by a receiving device because of their propagation direction, in the direction of the receiving device (s). These devices preferably have a high reflection coefficient and / or a small influence on the reflection signals.
  • the receiving device comprises a mixer stage, which is suitable for determining the frequency difference between the first received signal and the second received signal, wherein at least one physical parameter of the system can be determined based on the determined frequency difference.
  • the evaluation of the first received signal and the second received signal in particular the determination of the frequency difference between the first received signal and the second received signal, can be carried out in particular by means of a mixer stage.
  • the receiver-side mixer stage in this case has no separate input for the transmission signal (so-called local oscillator), but instead uses the first reception signal, which is the transmission signal reflected by the first reflection object (reference object), as a local oscillator or as a reference signal.
  • the received signals have frequency modulation, for example stair, triangular or sawtooth patterns, it is possible to increase the transit time difference between the first received signal and the second received signal by the occurring frequency difference between the received signal and the reference signal determine.
  • a third aspect for achieving the object relates to a system for determining at least one physical parameter of a system having at least two reflection objects comprising:
  • a transmitting device having a transmitting antenna, adapted to transmit a transmission signal comprising at least one modulated wave
  • a reception apparatus having a reception antenna configured to: receive a first reception signal, wherein the first reception signal is based on the transmission signal reflected by a first reflection object;
  • the at least one physical parameter of the system in particular the distance between the first reflection object and the second reflection object, based on the first received signal and the second received signal.
  • the E m pfa ngsvo rrichtu ng the system is designed to determine the at least one physical parameter of the system without the inclusion of the transmission signal.
  • the determination of the at least one physical parameter is preferably carried out by mixing two or more received signals, information without the use of the transmission signal and / or the transmission signal.
  • the transmission signal may comprise at least one modulated electromagnetic wave and / or at least one modulated acoustic wave.
  • the use of at least one modulated electromagnetic wave and at least one modulated acoustic wave can in particular increase the scope of the method.
  • physical parameters of a medium, for example material properties, between the first reflection object and the second reflection object can be determined.
  • the transmitting antenna of the transmitting device and the receiving antenna of the receiving device are approximately at the same position in the system and are approximately identically aligned so that the propagation direction of both the transmission signal emitted by the transmitting device and the radiation reflected by the first reflecting object and / or the second reflecting object along a to the surface of the objects, which represent or include the reflection objects, extends substantially perpendicular line.
  • the angle between the primary propagation direction of the transmission signal and the radiation reflected by the reflection objects and received by the reception device is thus approximately 0 °.
  • the time delay corresponds to the duration required for the transmission signal to travel the double distance between the first reflection object (reference object) and the second reflection object.
  • the evaluation of the first received signal and the second received signal in particular the determination of the frequency difference between the first received signal and the second received signal, can be performed by means of a mixer stage, wherein the mixer stage has no input for the transmission signal, but instead uses the first received signal as the reference signal.
  • the system is a mobile system, in particular a portable system.
  • the system can be easily constructed and used at the location of the object to be examined, without the need for taking samples.
  • the system may be connected to an energy source be connectable, and / or an internal power source, such as a secondary battery include.
  • the device according to the invention and the system according to the invention it is advantageously irrelevant whether the transmitting device and / or receiving device moves relative to the reflection object or whose spatial distance changes, because the distance between transmitting device and / or receiving device and Reflection object is not consulted for the determination of the at least one physical parameter.
  • FIG. 1a shows a conventional system for the detection of
  • Figure 1 b shows a system according to the present invention
  • FIG. 2 shows received signals of the exemplary embodiment in FIG.
  • FIG. 1 a shows a conventional system for the detection of reflection objects, wherein the transmission signal 12 is used as a local oscillator in the mixer stage 23.
  • the transmitting device 10 comprises a signal generator or function generator 13 and a transmitting antenna 11.
  • the transmitting signal 12 is directed onto a reflection object 1 to be detected and reflected by it.
  • the reflection object 1 is, for example, a foreign body in an otherwise homogeneous object.
  • the Receiving device 20 of the system comprises a receiver antenna 21, which receives the reflected from the reflection object 1 transmission signal 12, which corresponds to the received signal 22 receives. The also from the receiving device
  • the mixer stage 23 analyzes and compares the transmission signal 12 and the reception signal 22 and passes the measurement results, in the present case the distance between the transmission antenna 11 and the reception antenna
  • the reflection object 1 in the present example is an iron rod extending in the image plane in a cast concrete block.
  • the system shown in FIG. 1 a is able to detect the iron rod and to determine its position in relation to the transmitting antenna 11 or the receiving antenna 21.
  • the receive signal 22 received by the receive antenna 21 is compared with the transmit signal 12 emitted by the transmit device 10 by the mixer stage 23. Due to the distance covered by the transmission signal 12 from the transmitting antenna 11 to the reflection object 1 and from the reflection object 1 to the reception antenna 21, the reception signal 22 has a time delay in comparison to the transmission signal 12 fed directly from the signal generator 13 to the mixer stage 23.
  • the time delay corresponds to the duration required for the radiation emitted by the transmitting antenna 11 to travel the distance from the transmitting antenna 11 to the reflecting object 1 and from the reflecting object 1 to the receiving antenna 21.
  • the transmitting antenna 11 and the receiving antenna 21 are positioned directly next to each other, ie at approximately the same position, the spatial distance between the transmitting antenna 11 and the reflecting object 1 is identical to the spatial distance between the reflecting object 1 and the receiving antenna 21 Consequently, the time delay of the received signal 22 corresponds to the duration which the emitted radiation needs for the double distance between the transmitting antenna 11 and the reflecting object 1 or the reflecting object 1 and the receiving antenna 21. Consequently, an exact position of the Reflection object 1 can be determined in relation to the detection system.
  • the distance between the reflection object 1 and the detection system is less of interest than the exact position of the reflection object 1 within an object, in particular in relation to its surface or other elements introduced into the object.
  • the distance between the surface and the detection system must be measured, and the results obtained in each case must continue to be calculated. The technical effort for this is very high.
  • the exact position of the iron bar in the concrete block is less critical. Rather, it must be ensured that e.g. the object of reflection, i.
  • the iron bar is detected and / or that the iron bar has a sufficient distance from the surface of the concrete block, ie that the iron bar is covered by sufficient material and anchored securely in the concrete block.
  • the method of the present invention provides a method with significantly reduced receiver complexity and increased sensitivity.
  • FIG. 1b shows an exemplary embodiment of the system of the present invention wherein the mixer stage 23 does not have a separate input for the transmit signal 12.
  • the transmission device 10 comprises a signal generator or function generator 13 and a transmission antenna 11.
  • the transmission signal 12 is directed to the reflection objects 2a and 2b to be detected and reflected by them.
  • the reflection object 2b in this example is a foreign body in an otherwise homogeneous object, the reflection object 2a being the surface thereof.
  • One possible application of the present exemplary embodiment is the analysis of components made of glass fiber reinforced plastics (GRP).
  • GRP glass fiber reinforced plastics
  • Various defects in the structure of the components such as contamination, delamination, wrinkles, air pockets, resin nests, dry laminate areas or fiber undulation, can be completely and safely detected both during the production process and on the finished component.
  • the surface of the component represents the first reflection object 2a, and thus the reference object.
  • a second reflection would take place only at the rear side of the component.
  • the reflection object 2b corresponds to the rear side of the analyzed component.
  • further reflections take place in the component itself, at the boundary layers of the individual defects, the different defects corresponding to the reflection objects 2b.
  • the receiving device 20 of the system comprises a receiver antenna 21, which receives the reflected signals reflected by the reflection objects 2 a and 2 b, which correspond to the received signals 22 a and 22 b, respectively, and feeds them to the mixing stage 23 also included in the receiving device 20.
  • the mixer stage 23 analyzes the received signals 22a and 22b and forwards the measurement results, in the present case the distance between the reflection object 2a and the reflection object 2b, to, for example, an output device 24.
  • mixer stage 23 exploits the effect of self-compounding a physical device which occurs whenever the device has a non-linear transfer characteristic in the relevant frequency range (e.g., diode, transistor, photodiode, microphone, etc.).
  • the received signals 22a and 22b received by the receiving antenna 21 are analyzed by the mixer stage 23.
  • the received signal 22b a time delay relative to the received signal 22a, since the radiation emitted by the transmitting antenna 11 additionally has to cover the distance from the reflection object 2a to the reflection object 2b and from the reflection object 2b to the reflection object 2a, ie twice the distance between the reflection object 2a and the reflection object 2b.
  • the time delay of the received signals 22a and 22b in relation to the transmission signal 12 is not measured since the mixer stage 23 does not receive any information about the transmitted transmission signal 12. This allows a reduced receiver complexity to be achieved.
  • FIG. 2 shows the receive signals supplied to the mixer stage of the exemplary embodiment in FIG. 1 b. Shown is the received signal 22a, which comprises the transmission signal reflected by the reflection object 2a 2a, and the reception signal 22b, which comprises the reflected by the reflection object 2b transmission signal 12 and is delayed compared to the reception signal 22a.
  • the transmit signal 12 is a frequency-modulated sawtooth signal which is particularly suitable for the method of the present invention. Due to the time delay At of the received signal 22b, the frequency difference Af of the two received signals 22a and 22b can be determined for a specific time ti. By determining the steepness of the frequency increase, that is to say the change of the frequency per time, it is possible to deduce the time delay ⁇ t and consequently the distance between the reflection object 2a and 2b.
  • the distance between the reflection objects can only be uniquely determined if the time delay of the second received signal 22b is less than the period of the transmission signal, the so-called "sweep time", due to the additional distance traveled.
  • the measurement time ti must be chosen so that this after the steep, falling Flank of the time-delayed received signal 22b and before the steep, falling edge of the received signal 22a is, otherwise no correct result can be calculated based on the frequency difference of the two received signals. This applies in the same way when using a frequency-modulated transmission signal in the conventional method of Figure 1a.
  • the resolution capability is determined by the choice of the frequency deviation per unit time and the maximum possible measurement range by the duration of the frequency increase (period duration).
  • a large frequency deviation requires a more expensive and expensive transmitter and receiver electronics, so that it is usually kept moderate.
  • the best possible resolution of the detection system is usually desirable. Consequently, the measuring range of the detection system must be limited in order to obtain the most accurate possible system with moderate technical effort.
  • the measuring range of the method according to the invention is very low in comparison. It corresponds to the distance between the first reflection object (reference object) and the reflection object farthest from it. In conventional methods, as shown for example in FIG. 1a, a much larger measuring range is required, since this additionally has to extend to the distance between the transmitting antenna 11 and the closest reflection object (reference object), which usually corresponds to a multiplication of the measuring range.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit mindestens zwei Reflexionsobjekten umfassend die Schritte: Erzeugen eines Sendesignals umfassend zumindest eine modulierte elektro-magnetische oder akustische Welle; Empfangen eines ersten Empfangssignals, wobei das erste Empfangssignal auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert; Empfangen eines zweiten Empfangssignals, wobei das zweite Empfangssignal auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert; Empfangen eines dritten oder weiterer Empfangssignale, wobei das dritte und weitere Empfangssignale auf dem von einem ersten oder zweiten oder weiteren Reflexionsobjekte reflektierten Sendesignal basiert; Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und weiterer Empfangssignale. Ermitteln von unbekannten Abständen zwischen Reflexionsobjekten oder von Materialeigenschaften, Zusammensetzung oder Beschaffenheit der Medien zwischen den Reflexionsobjekten des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und weiterer Empfangssignale.

Description

Beschreibung
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung, sowie ein System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems, insbesondere von Abständen und Materialeigenschaften zwischen Reflexionsobjekten, unter Ausnutzung der Reflexion von einem Referenzobjekt.
Zum Detektieren und Analysieren von Objekten werden üblicherweise verschiedene Radarverfahren verwendet. Radar ist die Abkürzung für„radio detection and ranging“ (übersetzt: funkgestützte Ortung und Abstandsmessung) und beschreibt verschiedene Erkennungs- und Ortungsverfahren auf der Basis von elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich.
Konventionelle Radarverfahren können in mehrere Untergruppen eingeteilt werden:
Ein häufig verwendetes Radarverfahren ist das Dauerstrichradarverfahren, welches ein kontinuierliches Senden einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle in eine Richtung umfasst. Trifft diese elektromagnetische Welle auf ein Reflexionsobjekt, so wird ein Teil der Energie als Echosignal zurückgeworfen und von einem Empfänger erfasst. Das Sendesignal weist dabei eine konstante Frequenz mit konstanter Amplitude auf. Das empfangene Echosignal weist entweder die gleiche oder, falls sich das Reflexionsobjekt bewegt, eine aufgrund des Dopplereffekts abweichende Frequenz auf. Die Frequenz des Empfangssignals wird in einer empfangsseitigen Mischerstufe mit dem ausgesendeten Signal verglichen und die relative Geschwindigkeit des Reflexionsobjekts zum Empfänger bestimmt. Eine Messung der Entfernung des Reflexionsobjekts ist nicht möglich. Eine spezielle Unterform des Dauerstrichradars ist das frequenzmodulierte Dauerstrichradar. Dabei ändert sich die Arbeitsfrequenz des Sendesignals während der Messung periodisch, sodass zusätzlich zur Geschwindigkeitsmessung eine Entfernungsmessung aufgrund der Detektionsmöglichkeit des Laufzeitunterschieds zwischen Sende- und Empfangssigna! durchgeführt werden kann. Dabei können Auflösung und Messbereich durch die Wahl des Frequenzhubs und der Änderungsrate des Sendesignals definiert werden.
Ein alternatives Radarverfahren ist das monostatische Radarverfahren, bei dem Sender und Empfänger dieselbe Antenne verwenden. Eine beispielhafte Umsetzung ist das Impulsradar, welches zeitlich kurze und leistungsstarke Impulse aussendet und deren reflektierte Echosignale empfängt. Das Impulsradar eignet sich insbesondere zur Entfernungsmessung reflektierender Objekte. Allerdings ist durch die Verwendung einer Antenne zum Senden und Empfangen eine zeitliche Steuerung der Abläufe, sowie eine große Pause zwischen den einzelnen Sendeimpulsen notwendig.
Bei all diesen Radarverfahren werden die empfangenen Echosignale mit dem ausgesendeten Signal in einer empfangsseitigen Mischerstufe verglichen. Dies führt zu einer nicht unerheblichen Komplexität und zu einem eingeschränkten Dynamikbereich des Empfängers.
Im Gegensatz dazu stellt das passive Radar eine Ortungstechnik dar, die selbst keine elektromagnetische Energie aussendet, um deren zurückgeworfenes Echo zu analysieren. Stattdessen werden Echosignale von systemfremden Funkwellen, beispielsweise von Rund- oder Mobilfunksendetürmen, detektiert und ausgewertet. Dadurch kann bei bekannter Position der Quelle ein sich bewegendes reflexionsfähiges Objekt im Strahlungsfeld des Senders identifiziert und beispielsweise dessen Entfernung und Geschwindigkeit ermittelt werden. Allerdings benötigt dieses Verfahren wegen der komplizierten und aufwendigen Berechnungen bei der Signalauswertung eine sehr hohe Rechenleistung. Das passive Radar ist eine Unterform des bi-statischen Radarverfahrens, welches aus einem Sender und einem Empfänger besteht, wobei Sender und Empfänger räumlich getrennt sind und deren Abstand ähnlich groß oder größer ist als der Abstand zu dem zu detektierenden Objekt.
Eine weitere Unterform des bi-statischen Radarverfahrens ist das„forward scatter radar“ (übersetzt: Vorwärtsstreu-Radar), bei dem ein Objekt, welches sich in der direkten Linie zwischen Sender und Empfänger befindet, einen Schatten am Empfänger erzeugt.
Die beschriebenen und zum Ermitteln von Abständen zwischen Reflexionsobjekten geeigneten Radarverfahren weisen allesamt eine gemeinsame Zeit- bzw. Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger auf, d.h. Sender und Empfänger müssen kohärent arbeiten. Außerdem weisen sie eine hohe Systemkomplexität und einen eingeschränkten Dynamikbereich insbesondere auf Empfängerseite auf. Diese sind jedoch nötig, um genaue und eindeutige Messungen der Abstände zwischen dem Sender bzw. Empfänger und dem Reflexionsobjekt zu erhalten. Jedoch ist in vielen Fällen der genaue Abstand zwischen Sender/Empfänger nicht die gesuchte Größe, sondern vielmehr der relative Abstand zwischen einzelnen
Reflexionsobjekten. Die Messung relativer Abstände einer Mehrzahl von
Reflexionsobjekten ist mit deutlich geringerem technischem Aufwand und höherer Dynamik, als für die aufgeführten Radarverfahren benötigt wird, möglich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung, sowie ein System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems, insbesondere von Abständen zwischen
Reflexionsobjekten, bei nicht vorhandener Kohärenz bzw. gemeinsamer Zeit- oder Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger, sowie verringerter
Empfängerkomplexität und erhöhtem Dynamikbereich bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten, umfassend die Schritte:
Erzeugen eines Sendesignals umfassend zumindest eine modulierte Welle; Empfangen eines ersten Empfangssignals, wobei das erste Empfangssignal auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Empfangen eines zweiten Empfangssignals, wobei das zweite Empfangssignal auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameter des Systems, insbesondere des Abstands zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal.
Bevorzugterweise erfolgt das Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters des Systems ohne Einbeziehen bzw. Verwenden des Sendesignals. In anderen Worten: Das Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters erfolgt bevorzugt durch Mischung von zwei oder mehr Empfangssignalen, ohne Ausnutzung des Sendesignals.
Vorteilhafterweise werden gemäß des oben beschriebenen Verfahrens zumindest ein physikalischer Parameter eines Systems, insbesondere Abstände zwischen Reflexionsobjekten, bei nicht vorhandener Kohärenz bzw. gemeinsamer Zeit- oder Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger, sowie verringerter Empfängerkomplexität und erhöhtem Dynamikbereich ermittelt.
Unter einem Sendesignal kann im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine elektromagnetische Strahlung verstanden werden, wie z.B. Radarstrahlen, insbesondere im Mikrowellenbereich (3 GHz - 30 GHz), Millimeterwellenfrequenzbereich (30 GHz - 300 GHz), Submillimeterwellenfrequenzbereich (300 GHz - 3 THz), Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolet- oder Röntgenstrahlung, insbesondere eine durch einen Signalgenerator erzeugte elektro-magnetische Welle mit einem charakteristischen Zeitverlauf, die mithilfe einer Sendeantenne abgestrahlt wird bzw. werden kann. Ein besonders bevorzugter Frequenzbereich liegt dabei zwischen etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz.
Unter einem Sendesignal kann im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine akustische Welle verstanden werden, wie z.B. eine Longitudinalwelle und/oder eine Transversalwelle. Eine akustische Welle kann hierbei beispielsweise durch einen Schallwandler auf Basis eines piezoelektrischen Kristalls erzeugt werden. Die akustische Welle kann durch ein Mikrofon empfangen werden, welches Oberwellen bzw. Verzerrungen hervorruft. Ein bevorzugter Frequenzbereich liegt im Ultraschallbereich oberhalb von 20 kHz, welcher insbesondere den Frequenzbereich der akustischen Mikroskopie umfasst.
Insbesondere kann das Sendesignal mindestens eine modulierte elektromagnetische Welle und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle umfassen. Die Verwendung von mindestens einer modulierten elektromagnetischen Welle und mindestens einer modulierten akustischen Welle kann insbesondere den Anwendungsbereich des Verfahrens vergrößern.
Im Weiteren werden Merkmale insbesondere in Bezug auf elektromagnetische Strahlung beschrieben. Hierbei ist jedoch zu verstehen, dass sämtliche Merkmale in Bezug auf elektromagnetische Strahlung bzw. Wellen und/oder in Bezug auf akustische Wellen verwirklicht werden können.
Eine modulierte Welle kann hierbei insbesondere durch eine Frequenzmodulation, beispielsweise gemäß einer linearen, dreiecksförmigen Frequenzrampe oder gemäß einer ansteigenden und abfallenden Frequenzrampe erzeugt werden. Eine weitere mögliche Form der Frequenzmodulation ist beispielsweise eine nichtlineare Frequenzrampe. Neben der Frequenzmodulation sind andere Modulationsarten wie Amplitudenmodulation, Phasenmodulation und/oder Pulsweitenmodulation denkbar. Unter einem Empfangssignal wird im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine elektromagnetische Strahlung und/oder akustische Wellen verstanden, welche mittels einer Empfangsantenne empfangen wird. Das Empfangssignal umfasst dabei die von einem oder mehreren Reflexionsobjekten reflektierten Sendesignale.
Elektromagnetische Strahlung und/oder akustische Wellen werden an Grenzflächen zwischen Ausbreitungsmedien mit unterschiedlichem Wellenwiderstand bzw. Brechungsindex beim Auftreffen auf diese zumindest teilweise reflektiert, wobei in der Regel nur ein Teil der Energie der einfallenden Strahlung zurückgeworfen wird (partielle Reflexion).
Bei bekanntem Ausbreitungsmedium, beispielsweise Luft und/oder ein bekanntes Stoffgemisch, zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt kann insbesondere ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal ermittelt werden. Hierbei ist der Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ein physikalischer Parameter des Systems. Hierbei können ferner physikalische Parameter des Ausbreitungsmediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt bekannt sein, gemessen sein, und/oder geschätzt sein. Vorzugsweise können die Parameter des Ausbreitungsmediums ungefähr bzw. anhand von Parameter-Intervallen/Bereichen bekannt sein. Insbesondere kann das Ausbreitungsmedium das erste Reflexionsobjekt sein, wobei hierbei das erste Reflexionsobjekt und das zweite Reflexionsobjekt insbesondere zumindest entlang einer Ausbreitungsrichtung des Sendesignals aneinander angrenzen.
Bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt des Systems kann insbesondere das Vorhandensein eines Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt und/oder ein physikalischer Parameter des Mediums als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems ermittelt werden. Der physikalische Parameter des Mediums kann hierbei bevorzugt zumindest eine dielektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Mediums umfassen, beispielsweise die Ausbreitungskonstante bzw. die Permittivität des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt. Der bekannte Abstand kann hierbei vorgegeben, gemessen und/oder geschätzt sein. Vorzugsweise kann der bekannte Abstand ungefähr bzw. anhand von Abstands-Intervallen/Bereichen bekannt sein. Insbesondere kann der bekannte Abstand ein Durchmesser des ersten Reflexionsobjekts sein, wobei hierbei das erste Reflexionsobjekt und das zweite Reflexionsobjekt insbesondere zumindest entlang einer Ausbreitungsrichtung des Sendesignals aneinander angrenzen und der bekannte Abstand entlang der Ausbreitungsrichtung des Sendesignals gemessen ist.
Vorzugsweise kann auch das Vorhandensein des Mediums, beispielsweise Gewebestrukturen und/oder bekannte Materiallagen, und/oder eine materielle Zusammensetzung des Mediums angenommen werden bzw. bekannt sein, wobei weitere Eigenschaften des Mediums ermittelt werden können, beispielsweise ein Flüssigkeitsgehalt eines Gewebes oder die Ausrichtung von Materialfasern oder die Dichte bzw. indirekt der Druck oder der Füllstand in einem mehr oder weniger befüllten Medium. Konkrete Anwendungsbeispiele sind z.B. das Ermitteln des Füllstandes in einem Behälter/Container, das Ermitteln des Kolbenstands in einem Zylinder und/oder das Ermitteln der Eindringtiefe eines Kolbens oder eines Bohrers.
Bevorzugt ist das primäre Ausbreitungsmedium des Sendesignals im Sinne dieser Erfindung Luft. Beim Auftreffen der Strahlung auf ein Objekt tritt eine starke Reflexion an der Oberfläche des Objekts auf, sodass ein Großteil der Energie der Strahlung reflektiert wird.
Die an der Oberfläche des Objekts, im weiteren erstes Reflexionsobjekt genannt, reflektierte Strahlung bzw. Wellen werden mittels einer Empfangsantenne empfangen und entspricht dem ersten Empfangssignal.
Der restliche Anteil der Strahlung bzw. Wellen des Sendesignals dringt in das Objekt ein bzw. durchdringt es und breitet sich in bzw. hinter diesem weiter aus (Transmission). Bei einem Auftreffen der sich in dem Objekt ausbreitenden Strahlung bzw. Wellen auf ein zweites Objekt mit einem unterschiedlichen Wellenwiderstand bzw. Brechungsindex wird ein Großteil der Strahlung an der Oberfläche des zweiten Objekts, im weiteren zweites Reflexionsobjekt genannt, reflektiert.
Die an dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Strahlung bzw. Wellen werden mittels einer Empfangsantenne empfangen und entspricht dem zweiten Empfangssignal, wobei bevorzugt dieselbe Empfangsantenne zum Empfangen des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals verwendet wird.
Sowohl das erste Empfangssignal als auch das zweite Empfangssignal basieren auf demselben Sendesignal und weisen demnach denselben charakteristischen Zeitverlauf auf. Allerdings ist das zweite Empfangssignal aufgrund der von dem Sendesignal zurückgeiegten unterschiedlichen Distanz im Vergleich zum ersten Empfangssignal zeitlich verzögert.
In einer beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform befinden sich Sende- und Empfangsantenne näherungsweise auf derselben Position und sind näherungsweise identisch ausgerichtet, sodass die Ausbreitungsrichtung sowohl des Sendesignals als auch der von dem ersten Reflexionsobjekt und/oder von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Strahlung entlang einer zur Oberfläche der Reflexionsobjekte im Wesentlichen senkrecht stehenden Linie verläuft.
Aufgrund dieser Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen entspricht die zeitliche Verzögerung der Zeit, die das Sendesignal für das Zurücklegen der doppelten Distanz zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt benötigt.
Dabei dient das dem ersten Empfangssignal zugehörige Reflexionsobjekt als Referenzobjekt, zu welchem das zweite Reflexionsobjekt in räumlichen Bezug gesetzt wird.
Folglich ermöglicht das beschriebene Verfahren ein Bestimmen der räumlichen Entfernung zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und dem zweiten Reflexionsobjekt, ohne dass Informationen über die Charakteristika des Sendesignals bekannt sind bzw. ohne dass eigenständige Charakteristika des Sendesignals ausgewertet werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Entfernung zwischen Sende- bzw. Empfangseinheit und dem zu untersuchenden Objekt unbedeutend oder unbekannt ist.
Das beschriebene Verfahren eignet sich beispielsweise für die berührungslose Materialanalyse, wie der Bestimmung von Schichtdicken in Multi-Lagen- Verbundwerkstoffen, sowie zur Detektion von Verunreinigungen und Fremdkörpern. Weitere Anwendungen finden sich in der Medizintechnik (z.B. bildgebende Lokalisierung von Organen, Analyse organischer Substanzen), in der Sicherheitstechnik (z.B. Personenscanner), in der Automobiltechnik (z.B. Abstandsradar), und in der Automatisierungs- und Produktionstechnik (z.B. Materialanalyse, Erkennung von Produktions- oder Verpackungsfehlern).
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Sendesignal eine modulierte elektromagnetische Strahlung und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle, insbesondere frequenzmodulierte elektromagnetische Strahlung und/oder frequenzmodulierte akustische Wellen. Alternativ oder zusätzlich kann die elektromagnetische Strahlung und/oder die mindestens eine akustische Welle phasenmoduliert und/oder amplitudenmoduliert sein.
Der Signalgenerator zum Erzeugen des Sendesignals ist bevorzugt ein Funktionsgenerator, welcher periodische elektrische und/oder mechanische Signale mit unterschiedlichen Kurvenformen, insbesondere Sinus, Rechteck, Treppen, Dreieck und Sägezahn, mit einstellbarer Frequenz, Phase und Amplitude erzeugen kann.
Ein frequenzmoduliertes Signal umfasst eine sich zeitlich ändernde Frequenz, die beispielsweise linear ansteigt, um bei einem bestimmten Wert abrupt auf den Anfangswert abzufallen (Sägezahnmuster, englisch:„sawtooth“).
Durch die lineare Änderung der Frequenz und das stetige Senden ist es möglich, die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal zu ermitteln. Die maximale, eindeutig ermittelbare Laufzeitdifferenz ist im Fall eines Sägezahnmusters die Dauer, in der die Frequenz des Signals vom Anfangswert zum Endwert linear ansteigt bzw. abfällt. Dies entspricht der Periodendauer des Sendesignals, auch„sweep time“ genannt.
Die Auswertung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals, insbesondere das Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal, wird mithilfe einer Mischerstufe durchgeführt.
Analog gelten die obigen Ausführungen für ein phasenmoduliertes Signal oder ein amplitudenmoduliertes Signal.
Das beschriebene Verfahren hat im Gegensatz zu konventionellen Radarverfahren insbesondere den Vorteil einer reduzierten Empfängerkomplexität und eines erhöhten Dynamikbereichs. Ferner ist das beschriebene Verfahren weder abhängig von einer Entfernung zwischen dem Ursprung des Sendesignals und dem ersten Reflexionsobjekt, noch abhängig von einer Entfernung zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem Sensor, welcher das erste Empfangssignal und das zweite Empfangssignal empfängt.
Die empfängerseitige Mischerstufe weist vorzugsweise keinen gesonderten Eingang für das Sendesignal auf (sog. Lokaloszillator). Stattdessen fungiert das erste Empfangssignal, welches das von dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) reflektierte Sendesignal ist, als Lokaloszillator der Mischerstufe und dient so als Referenzsignal. Folglich wird die Mischerstufe mit einem kombinierten Signal aus Referenz- und Reflexionssignal(en) auf einem Eingang betrieben. Somit kann vorteilhafterweise das Empfangssignal unabhängig vom Sendesignal ausgewertet werden. In anderen Worten werden an der empfangsseitigen Mischerstufe zwei Empfangssignale empfangen und ausgewertet, wobei jedes Empfangssignal ein reflektiertes Signal ist. Entgegen herkömmlicher Radarsysteme wird das unveränderte Sendesignal des Senders nicht empfangen und ausgewertet. Somit ist es nicht nötig, die signaltypischen Eigenschaften des Sendesignals zu kennen.
Im Gegensatz zu den bekannten Radarverfahren besteht bei dem Verfahren gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung keine gemeinsame Zeit- bzw. Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger. In anderen Worten: Der Empfänger ist vom Sender entkoppelt. Das Bestimmen von physikalischen Parametern von zwei oder mehr Reflexionsobjekten erfolgt ohne Einbeziehung des Sendesignals.
Vorzugsweise erfolgt ein simultanes Empfangen des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem ein zeitkontinuierliches Sendesignal und/oder ein zeitdiskretes Sendesignal, mit einer Pulsdauer, welches zu einem zeitlichen Überlagern des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals am Empfänger führt, erzeugt wird. Folglich unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von herkömmlichen Verfahren, bei welchen beispielsweise eine Laufzeitmessung von zeitlich getrennten Pulsen zwischen Aussendung und Empfang erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein physikalischer Parameter des Systems aus einer Divergenz der Modulation zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal ermittelt (Intermodulationseffekt). Eine solche Divergenz kann einen Frequenzunterschied, einen Phasenunterschied und/oder einen Amplitudenunterschied aufweisen, insbesondere abhängig von der gewählten Modulationsform des Sendesignales. Im Gegensatz dazu wird bei konventionellen Verfahren eine solche Divergenz zwischen Sendesignal (Referenzsignal) und ein oder mehreren Empfangssignalen detektiert und ausgewertet. In anderen Worten: In dem vorliegenden Verfahren gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung entspricht ein erstes Empfangssignal dem Referenzsignal, wobei vorzugsweise ein dominantes und/oder starkes Empfangssignal als Referenzsignal verwendet wird. Durch die Nichteinbeziehung des Sendesignals in die Signalauswertung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Distanz zwischen Sender und erstem Reflexionsobjekt (beispielsweise eine Grenzschicht eines Objekts) nicht bestimmt werden, was jedoch in zahlreichen Anwendungsszenarien auch nicht gefordert ist bzw. sogar von Vorteil sein kann, etwa dann, wenn zwischen Radarsensor und Reflexionsobjekten eine Relativgeschwindigkeit besteht, die zu einem Dopplereffekt führt, welcher in der digitalen Signalverarbeitung herausgerechnet werden muss. Daher stellt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise eine Verringerung der Empfängerkomplexität dar.
Des Weiteren besitzt das beschriebene Verfahren eine verbesserte Empfindlichkeit, da alle auf der Empfängerseite zu verarbeitenden Signale einen in der Regel deutlich verringerten Leistungspegel als das Sendesignal aufweisen. Somit kann der Empfänger auf Signale mit geringer Leistung ausgelegt und optimiert werden.
Vorzugsweise ist das zweite Reflexionsobjekt zumindest teilweise von dem ersten Reflexionsobjekt umgeben. Vorzugsweise propagiert das Sendesignal zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt und tritt aus diesem aus, bevor es von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektiert wird.
Die zu detektierenden Reflexionsobjekte können derart positioniert sein, dass sich das zweite Reflexionsobjekt vollständig oder teilweise innerhalb eines Objekts befindet. Dabei kann insbesondere die Oberfläche des das zweite Reflexionsobjekt zumindest teilweise umgebenden Objekts das erste Reflexionsobjekt darstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens propagiert das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt.
Die zu detektierenden Reflexionsobjekte können derart positioniert sein, dass das Sendesignal und/oder das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal zumindest teilweise durch das Objekt propagieren, welches das erste Reflexionsobjekt umfasst bzw. darstellt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die Reflexionsobjekte entlang einer Linie in der primären Ausbreitungsrichtung des Sendesignals befinden.
Die zu detektierenden Reflexionsobjekte können derart positioniert sein, dass das Sendesignal durch das Objekt propagiert, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, und aus diesem austritt bevor es von dem zweiten Refiexionsobjekt reflektiert wird.
In dieser bevorzugten Ausführungsform propagiert das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal durch das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, bevor es von der Empfangsantenne empfangen wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich das Objekt, das das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, und das Objekt, das das zweite Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, entlang einer Linie in der primären Ausbreitungsrichtung des Sendesignals befinden und voneinander beabstandet sind.
Ein Beispiel für diese bevorzugte Ausführungsform stellt eine Abstandsmessung für Kraftfahrzeuge dar, bei welcher das Sendesignal durch die Stoßstange des Fahrzeugs propagiert, und wobei die der Sendevorrichtung zugewandte Oberfläche der Stoßstange als erstes Reflexionsobjekt fungiert. Das Sendesignal tritt aus der Stoßstange aus und trifft auf das zweite Reflexionsobjekt, welches beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug ist bzw. von diesem umfasst wird. Das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal propagiert durch die Stoßstange, deren Oberfläche als erstes Reflexionsobjekt fungiert, tritt aus dieser aus und wird von der Empfangsvorrichtung empfangen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest eine physikalische Parameter des Systems, insbesondere ein örtlicher Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt basierend auf einer Divergenz der Modulation des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals ermittelt. In anderen Worten werden die Eigenschaften der Modulation herangezogen, um die Distanz im dreidimensionalen Raum des ersten Reflexionsobjekts von dem zweiten Reflexionsobjekt zu bestimmen. Hierbei kann beispielsweise angenommen werden, dass das erste Reflexionsobjekt und/oder das zweite Reflexionsobjekt punktförmig sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest eine physikalische Parameter des Systems, insbesondere der Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt basierend auf einer Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal ermittelt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Abstand aufgrund einer Phasendifferenz und/oder einer Amplitudendifferenz zu bestimmen.
Vorzugsweise werden Materialeigenschaften oder die Zusammensetzung des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt, indem bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt (z.B. ein bekannter Rohrdurchmesser oder ein Abstand zweier Platten) die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder die Dämpfung der elektromagnetischen und/oder akustischen Welle in dem Medium zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt wird.
Insbesondere bei Verwendung eines frequenzmodulierten Sendesignals kann der Laufzeitunterschied und im weiteren die zusätzliche Distanz anhand der zeitlichen Verschiebung, insbesondere Verzögerung des Frequenzmusters des zweiten Empfangssignals verglichen mit dem ersten Empfangssignal, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Distanz anhand der zeitlichen Verschiebung, insbesondere der Verzögerung des Phasenmusters und/oder Amplitudenmusters des zweiten Empfangssignals verglichen mit dem ersten Empfangssignal, ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Leistungspegel des zweiten Empfangssignals geringer oder größer als der Leistungspegel des ersten Empfangssignals.
Insbesondere wird das erste Empfangssignal als das Empfangssignal bestimmt, das aus allen Empfangssignalen den maximalen Leistungspegel aufweist. Alternativ oder zusätzlich wird als erstes Empfangssignal das Empfangssignal bestimmt, dessen Leistungspegel in einem vorbestimmten Leistungsbereich liegt. Hierbei kann der Leistungsbereich basierend auf der Anwendung des Verfahrens gewählt werden, wobei kurze Messdistanzen geringere Leistungen benötigen wie z.B. ein Automobilradar. Ferner kann die untere Grenze eines solchen Leistungsbereichs durch eine Auswahl entsprechend empfindlicher Empfangsmischer und abhängig von dem verwendeten Frequenzbereich gewählt werden. Es ist auch möglich, dass das erste Empfangssignal und das zweite Empfangssignal derart bestimmt werden, dass die Leistungspegel der beiden Empfangssignale ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander aufweisen.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Reflexionseigenschaft, d.h. die Beeinflussung von Phase und Betrag bzw. Amplitude und Verzögerung von eintreffenden elektromagnetischen Wellen, von einem oder mehreren Medien, welche die Reflexionsobjekte darstellen bzw. umfassen, bekannt ist. Dadurch ist es möglich, absolute Messungen des zu untersuchenden Mediums durchzuführen. Beispielsweise kann bei einer Schichtdickenmessung bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektro-magnetischen Welle in dem Medium aus der zeitlichen Verzögerung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals die absolute Dicke des Mediums bestimmt werden.
Hingegen können relative Änderungen, beispielsweise eine Änderung der Position oder Eigenschaft eines Reflexionsobjektes in Bezug auf eine initiale Referenz- oder Kalibrationsmessung auch ohne weitere Informationen bestimmt werden. Analog gilt dasselbe für Messungen der Materialeigenschaften bzw. Zusammensetzung des Mediums zwischen Reflexionsobjekten.
Da das erste Reflexionsobjekt, insbesondere dessen Oberfläche, als räumliche Referenz für die Lagebestimmung der weiteren Reflexionsobjekte dient, ist die zuverlässige Detektion dieses ersten Reflexionsobjekts immanent für eine genaue Lokalisierung der weiteren Reflexionsobjekte. Wie oben ausgeführt, wird an der Oberfläche des ersten Reflexionsobjekts in der Regel ein Großteil der Energie des Sendesignals reflektiert, sodass der Leistungspegel des zugehörigen ersten Empfangssignals größer ist als die Leistungspegel der weiteren Empfangssignale, welche durch Reflexion an den weiteren Reflexionsobjekten hervorgerufen werden.
Allerdings kann das dem ersten Reflexionsobjekt zugehörige erste Empfangssignal in bestimmten Fällen einen nur geringen Leistungspegel aufweisen, beispielsweise aufgrund eines ungünstigen Reflexionsverhalten der Strahlung des Sendesignals an dem ersten Reflexionsobjekts, sodass nur ein geringer Teil der Strahlungsenergie des Sendesignals von dem ersten Reflexionsobjekt zurückgeworfen wird. Folglich dringt ein Großteil der Strahlung in das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, ein bzw. durchdringt dieses und tritt in das dahintergelegene Medium ein. Trifft diese Strahlung dort nun auf ein zweites Reflexionsobjekt, welches eine starke Reflexion der Strahlung verursacht, weist das zugehörige zweite Empfangssignal womöglich einen höheren Leistungspegel als das erste Empfangssignal auf. Dies kann dazu führen, dass das zweite Reflexionsobjekt anstatt des ersten Reflexionsobjekts als Referenzobjekt erkannt wird.
Daher kann es nützlich oder sogar notwendig sein die Reflexion des Sendesignals am ersten Reflexionsobjekt zu erhöhen. Zum Beispiel kann, durch zusätzliches Aufbringen von dünnen Schichten eines geeigneten Materials mit definiertem Reflexionskoeffizienten auf das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt umfasst bzw. darstellt, eine starke Reflexion des Sendesignals am ersten Reflexionsobjekt und somit ein hoher Leistungspegel des dazugehörigen ersten Empfangssignals erzeugt werden, sodass eine sichere Identifizierung des ersten Reflexionsobjekts als Referenzobjekt erfolgt. Das Aufbringen des Materials kann beispielsweise durch Folieren und/oder Lackieren und/oder Bedampfen, z.B. Vapor Deposition usw. bewerkstelligt werden.
Des Weiteren können die Eigenschaften der zusätzlich aufgebrachten Schichten spezifisch an das verwendete Sendesignal und/oder an die Oberfläche bzw. die Materialbeschaffenheit der Objekte, welche die Reflexionsobjekte darstellen bzw. umfassen, angepasst werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Allerdings sollte ein ausreichender Teil der Strahlungsenergie in das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, bzw. durch dieses hindurch gelangen, um zu ermöglichen, dass ein von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektiertes, zweites Empfangssignal zuverlässig erfasst werden kann.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn bekannt ist, dass ein Reflexionsobjekt ein prägnantes Reflexionsverhalten aufweist, sodass das zugehörige Empfangssignal aus einer Vielzahl von Empfangssignalen identifiziert werden und das entsprechende Reflexionsobjekt als Referenzobjekt verwendet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter die Schritte:
Empfangen eines dritten Empfangssignals, wobei das dritte Empfangssignal auf dem von einem dritten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem dritten Empfangssignal; und/oder
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem zweiten Empfangssignal und dem dritten Empfangssignal.
Insbesondere kann der zumindest eine physikalische Parameter des Systems wie oben beschrieben bei bekanntem Ausbreitungsmedium zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt sein.
Bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt kann insbesondere das Vorhandensein eines Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt und/oder ein physikalischer Parameter des Mediums als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems ermittelt werden. Der physikalische Parameter des Mediums kann hierbei bevorzugt zumindest eine dielektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Mediums umfassen, beispielsweise die Ausbreitungskonstante bzw. die Permittivität des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter die Schritte:
Empfangen eines n-ten Empfangssignals, wobei das n-te Empfangssignal auf dem von einem n-ten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem n-ten Empfangssignal; und/oder
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters basierend auf dem m- ten Empfangssignal und dem n-ten Empfangssignal.
Insbesondere kann der zumindest eine physikalische Parameter des Systems wie oben beschrieben bei bekanntem Ausbreitungsmedium zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten
Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw zwischen dem n-ten
Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt sein.
Bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten
Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten
Reflexionsobjekt kann insbesondere das Vorhandensein eines Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt und/oder ein physikalischer
Parameter des Mediums als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems ermittelt werden. Der physikalische Parameter des Mediums kann hierbei bevorzugt zumindest eine dielektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Mediums umfassen, beispielsweise die Ausbreitungskonstante bzw. die Permittivität des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt.
Hierbei sind n und m natürliche Zahlen und m ist kleiner als n. Vorzugsweise ist n > 1 und m > 1 , weiter bevorzugt ist n > 10 und m > 10. Vorzugsweise ist n < 100 und m < 100, weiter bevorzugt ist n < 50 und m < 50. Insbesondere besteht aufgrund der Streuung des Sendesignals an jedem Reflexionsobjekt ein Leistungsabfall des Sendesignals, wodurch eine obere Grenze einer Gesamtzahl von konsekutiven Reflexionen anhand der ursprünglichen Leistung des Sendesignals gegeben ist.
Das beschriebene Verfahren kann zur Detektion und Abstandsbestimmung einer Vielzahl an Reflexionsobjekten verwendet werden. Dabei kann jeweils der Abstand von einem beliebigen Reflexionsobjekt zu einem beliebigen anderen Reflexionsobjekt ermittelt werden, oder, bei Kenntnis der Abstände zwischen zwei oder mehreren Reflexionsobjekten, die Materialbeschaffenheit oder - Zusammensetzung der zwischen den Reflexionsobjekten befindlichen Medien. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter den Schritt:
Visualisierung der räumlichen Anordnung des ersten Reflexionsobjekts und des zweiten Reflexionsobjekts basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal.
Zur Auswertung der ermittelten Werte kann bevorzugt eine optische Darstellung basierend auf den Empfangssignalen erfolgen. Dabei kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage, je nach Anwendungsgebiet und Zielsetzung.
Beispielsweise kann zur Bestimmung der Schichtdicke eines Multi-Lagen- Verbundwerkstoffs das Anzeigen des räumlichen Abstands zwischen den einzelnen Reflexionsobjekten, welche den Grenzflächen der einzelnen Lagen entsprechen, mithilfe eines Graphen ausreichen, um eine für eine zuverlässige Qualitätskontrolle geeignete Darstellung zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Visualisierung eine 2D- und/oder 3D-Rekonstruktion basierend auf einer Vielzahl von Einzelmessungen.
Für manche Anwendungen wird eine 2D-Rekonstruktion oder eine 3D- Rekonstruktion der Messdaten benötigt, beispielsweise zur Detektion von Hohlräumen in Gussteilen. Dazu werden eine Vielzahl von Einzelmessungen bzw. von Ermittlungen des zumindest einen physikalischen Parameters entlang einer Linie (2D) bzw. über eine Fläche (3D) durchgeführt.
Um beispielsweise ein Schnittbild senkrecht zur Oberfläche eines Objekts zu erhalten, werden eine Vielzahl von Einzelmessungen entlang einer Linie auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts durchgeführt. Für die anschließende Rekonstruktion der einzelnen Messdaten können diese gegebenenfalls gefiltert und/oder tiefenabhängig verstärkt und als Volumenschnitt bildlich dargestellt werden. Der Abstand zwischen den Positionen der Einzelmessungen bestimmt dabei die Auflösung der Rekonstruktion. Das erfindungsgemäße Verfahren weist keine gemeinsame Zeit- bzw. Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger auf, sodass keinerlei Mischung und/oder Vergleich des Sendesignals mit einem oder mehreren Empfangssignalen erfolgen kann, wie dies beispielsweise beim FMCW Verfahren der Fall ist. Darüber hinaus umfasst das erfindungsgemäße Verfahren keine Laufzeitmessung von Signalpulsen zwischen Sendesignal und Empfangssignal(en), wie dies bei konventionellen Verfahren erfolgt. Vorteilhafterweise erfolgt das Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters durch Mischung einer Mehrzahl von Empfangssignalen ohne Verwendung des Sendesignals und/oder das Sendesignal betreffende Informationen.
Ein zweiter Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln mindestens eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend:
eine Empfangsvorrichtung mit einer Empfangsantenne, dazu ausgebildet: ein erstes Empfangssignal zu empfangen, wobei das erste
Empfangssignal auf einem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert;
ein zweites Empfangssignal zu empfangen, wobei das zweite
Empfangssignal auf einem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert; und
den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems, insbesondere den Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal zu ermitteln.
Bevorzugterweise ist die Empfangsvorrichtung dazu ausgebildet, den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems ohne Einbeziehen bzw. Verwenden des Sendesignals zu ermitteln. In anderen Worten: Das Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters erfolgt bevorzugt durch Mischung von zwei oder mehr Empfangssignalen, ohne Ausnutzung des Sendesignals. Insbesondere kann jedes reflektierte Signal mindestens eine modulierte elektromagnetische Welle und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle umfassen.
Eine zur Durchführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung geeignete Vorrichtung umfasst zumindest eine Empfangsvorrichtung, welche eine Empfängerantenne zum Empfangen der Empfangssignale aufweist. Die Vorrichtung ist dazu geeignet, basierend auf den Empfangssignalen von einem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und zumindest einem zweiten Reflexionsobjekt deren räumlichen Abstand voneinander zu ermitteln. Dabei wird das zumindest eine, zeitlich verzögerte Empfangssignal mit dem ersten Empfangssignal, welches als Referenzsignal dient, verglichen.
Dabei entspricht die zeitliche Verzögerung der jeweiligen Empfangssignale der Dauer, die ein Sendesignal für das Zurücklegen der doppelten Distanz zwischen dem Referenzobjekt und dem jeweiligen Reflexionsobjekt benötigt.
Vorzugsweise kann bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, physikalische Parameter eines Mediums, beispielsweise dessen Materialeigenschaften, zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt werden. Vorzugsweise wird der Empfangsbereich der Empfangsvorrichtung, d.h. der Raumwinkel aus dem die Signale empfangen werden, dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst. Beispielsweise können mit Hilfe einer höher gerichteten d.h. mit kleinem Empfangswinkel ausgeführte Empfangsvorrichtung Signale aus einer bevorzugten Richtung selektiert, bzw. Signale aus nicht bevorzugten Richtungen unterdrückt werden.
Ebenfalls können eine oder mehrere Empfangsvorrichtung ausgelegt sein, Reflexionssignale, deren Ausbreitungsrichtungen nicht im wesentlichen parallel zu der des Sendesignals sind, gezielt zu detektieren. Auf diese Weise können beispielsweise Objekte mit runder oder nicht orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des Sendesignals liegenden Oberfläche genauer identifiziert bzw. charakterisiert werden. Mehrere Empfangsvorrichtungen können nach allen bekannten Verfahren der elektronischen Strahlschwenkung, z.B.‘phased arrays“, ausgelegt sein um den Einfallswinkel der Reflexionsobjekte und damit ihre Position zu bestimmen. Darüber hinaus können gegebenenfalls zusätzliche Vorrichtungen bereitgestellt werden, welche Reflexionssignale, die aufgrund ihrer Ausbreitungsrichtung nicht direkt von einer Empfangsvorrichtung empfangen werden können, gezielt in Richtung der Empfangsvorrichtung(en) lenken. Diese Vorrichtungen weisen bevorzugt einen hohen Reflexionskoeffizienten und/oder eine geringe Beeinflussung der Reflexionssignale auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Empfangsvorrichtung eine Mischerstufe, welche zum Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal geeignet ist, wobei zumindest ein physikalischer Parameter des Systems basierend auf der ermittelten Frequenzdifferenz ermittelbar ist.
Die Auswertung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals, insbesondere das Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal, kann insbesondere mithilfe einer Mischerstufe durchgeführt werden.
Die empfängerseitige Mischerstufe weist dabei keinen gesonderten Eingang für das Sendesignal auf (sog. Lokaloszillator), sondern verwendet stattdessen das erste Empfangssignal, welches das von dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) reflektierte Sendesignal ist, als Lokaloszillator bzw. als Referenzsignal.
Weisen die Empfangssignale eine Frequenzmodulation auf, beispielsweise Treppen- , Dreieck- oder Sägezahnmuster, ist es möglich, die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal durch die auftretende Frequenzdifferenz zwischen dem Empfangssignal und dem Referenzsignal zu ermitteln.
Ein dritter Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend:
eine Sendevorrichtung mit einer Sendeantenne, dazu ausgebildet ein Sendesignal umfassend zumindest eine modulierte Welle auszusenden;
eine Empfangsvorrichtung mit einer Empfangsantenne, dazu ausgebildet: ein erstes Empfangssignal zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
ein zweites Empfangssignal zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert; und
den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems, insbesondere den Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal zu ermitteln.
Bevorzugterweise ist die E m pfa ngsvo rrichtu ng des Systems dazu ausgebildet, den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems ohne Einbeziehung des Sendesignals zu ermitteln. In anderen Worten: Das Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters erfolgt bevorzugt durch Mischung von zwei oder mehr Empfangssignalen, ohne Verwendung des Sendesignals und/oder das Sendesignal betreffende Informationen.
Insbesondere kann das Sendesignal mindestens eine modulierte elektromagnetische Welle und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle umfassen. Die Verwendung von mindestens einer modulierten elektromagnetischen Welle und mindestens einer modulierten akustischen Welle kann insbesondere den Anwendungsbereich des Verfahrens vergrößern. Vorzugsweise kann bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, physikalische Parameter eines Mediums, beispielsweise Materialeigenschaften, zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt werden.
Die Sendeantenne der Sendevorrichtung und die Empfangsantenne der Empfangsvorrichtung befinden sich bei dem System näherungsweise auf derselben Position und sind näherungsweise identisch ausgerichtet, sodass die Ausbreitungsrichtung sowohl des von der Sendevorrichtung ausgesendeten Sendesignals als auch der von dem ersten Reflexionsobjekt und/oder zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Strahlung entlang einer zur Oberfläche der Objekte, welche die Reflexionsobjekte darstellen bzw. umfassen, im Wesentlichen senkrecht stehenden Linie verläuft. Der Winkel zwischen der primären Ausbreitungsrichtung des Sendesignals und der von den Reflexionsobjekten reflektierten und von der Empfangsvorrichtung empfangenen Strahlung beträgt somit annähernd 0°.
Aufgrund der Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen entspricht die zeitliche Verzögerung der Dauer, die das Sendesignal für das Zurücklegen der doppelten Distanz zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und dem zweiten Reflexionsobjekt benötigt.
Die Auswertung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals, insbesondere das Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal, kann mithilfe einer Mischerstufe durchgeführt werden, wobei die Mischerstufe keinen Eingang für das Sendesignal aufweist, sondern stattdessen das erste Empfangssignal als Referenzsignal verwendet.
Vorzugsweise ist das System ein mobiles System, insbesondere ein tragbares System. Hierdurch kann das System am Ort des zu untersuchenden Objekts auf einfache Weise aufgebaut und verwendet werden, ohne dass ein Entnehmen von Proben notwendig ist. Insbesondere kann das System an eine Energiequelle anschließbar sein, und/oder eine interne Energiequelle, beispielsweise eine sekundäre Batterie, umfassen.
Darüber hinaus ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Systems vorteilhafterweise unerheblich, ob sich die Sendevorrichtung und/oder Empfangsvorrichtung relativ zu dem Reflexionsobjekt bewegt bzw. sich deren räumlicher Abstand ändert, da die Distanz zwischen Sendevorrichtung und/oder Empfangsvorrichtung und Reflexionsobjekt nicht für die Bestimmung des zumindest einen physikalischen Parameters hinzugezogen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren illustrierten, exemplarischen Ausführungsbeispielen weiter erklärt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1a zeigt ein konventionelles System zur Detektion von
Reflexionsobjekten;
Figur 1 b zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 zeigt Empfangssignale der beispielhaften Ausführung in Figur
1b.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Figur 1a zeigt ein konventionelles System zur Detektion von Reflexionsobjekten, wobei das Sendesignal 12 als Lokaloszillator in der Mischerstufe 23 eingesetzt wird. Die Sendevorrichtung 10 umfasst einen Signalgenerator bzw. Funktionsgenerator 13 und eine Sendeantenne 11. Das Sendesignal 12 wird auf ein zu detektierendes Reflexionsobjekt 1 gerichtet und von diesem reflektiert. Das Reflexionsobjekt 1 ist beispielsweise ein Fremdkörper in einem ansonsten homogenen Objekt. Die Empfangsvorrichtung 20 des Systems umfasst eine Empfängerantenne 21 , die das von dem Reflexionsobjekt 1 reflektierte Sendesignal 12, welches dem Empfangssignal 22 entspricht, empfängt. Der ebenfalls von der Empfangsvorrichtung
20 umfassten Mischerstufe 23 werden sowohl das Sendesignal 12 als auch das Empfangssignal 22 zugeführt. Die Mischerstufe 23 analysiert und vergleicht das Sendesignal 12 und das Empfangssignal 22 und leitet die Messergebnisse, im vorliegenden Fall der Abstand zwischen Sendeantenne 11 bzw. Empfangsantenne
21 und Reflexionsobjekt 1 , an beispielsweise eine Ausgabevorrichtung 24 weiter.
Das Reflexionsobjekt 1 ist im vorliegenden Beispiel eine sich in die Bildebene erstreckende Eisenstange in einem gegossenen Betonblock. Das in der Figur 1a dargestellte System ist in der Lage, die Eisenstange zu detektieren und deren Position im Verhältnis zu Sendeantenne 11 bzw. Empfangsantenne 21 zu bestimmen. Dazu wird das von der Empfangsantenne 21 empfangene Empfangssignal 22 mit dem von der Sendevorrichtung 10 ausgesendete Sendesignal 12 durch die Mischerstufe 23 verglichen. Durch die von dem Sendesignal 12 zurückgelegte Strecke von Sendeantenne 11 zum Reflexionsobjekt 1 und vom Reflexionsobjekt 1 zu der Empfangsantenne 21 weist das Empfangssignal 22 eine Zeitverzögerung im Vergleich zum direkt vom Signalgenerator 13 der Mischerstufe 23 zugeführten Sendesignal 12 auf. Die Zeitverzögerung entspricht der Dauer, die die von der Sendeantenne 11 ausgesendete Strahlung für Zurücklegen der Strecke von der Sendeantenne 11 zum Reflexionsobjekt 1 und vom Reflexionsobjekt 1 zur Empfangsantenne 21 benötigt.
Da bei dem in der Figur 1a dargestellten System die Sendeantenne 11 und die Empfangsantenne 21 direkt nebeneinander positioniert sind, sich also annähernd an derselben Position befinden, ist der räumliche Abstand zwischen Sendeantenne 11 und Reflexionsobjekt 1 identisch mit dem räumlichen Abstand zwischen Reflexionsobjekt 1 und Empfangsantenne 21. Folglich entspricht die Zeitverzögerung des Empfangssignals 22 der Dauer, die die ausgesendete Strahlung für die doppelte Strecke zwischen Sendeantenne 11 und Reflexionsobjekt 1 bzw. Reflexionsobjekt 1 und Empfangsantenne 21 benötigt. Folglich kann eine exakte Position des Reflexionsobjekts 1 im Verhältnis zu dem Detektionssystem bestimmt werden.
Bei vielen Anwendungen hingegen ist die Distanz zwischen Reflexionsobjekt 1 und dem Detektionssystem weniger von Interesse als die exakte Position des Reflexionsobjekts 1 innerhalb eines Objekts, insbesondere in Relation zu dessen Oberfläche oder anderen in das Objekt eingebrachten Elementen. Bei dem in Figur 1a gezeigten, konventionellen Verfahren muss zusätzlich der Abstand zwischen Oberfläche und Detektionssystem gemessen werden, und die jeweils erhaltenen Ergebnisse weiter verrechnet werden. Der technische Aufwand dafür ist jedoch sehr hoch.
In vorliegendem Beispiel ist die genaue Position der Eisenstange im Betonblock weniger entscheidend. Vielmehr muss sichergestellt werden, dass z.B. das Reflexionsobjekt, d.h. hier die Eisenstange detektiert wird und/oder dass die Eisenstange einen ausreichenden Abstand zur Oberfläche des Betonblocks hat, sprich dass die Eisenstange durch ausreichend Material überdeckt und sicher in dem Betonblock verankert ist. insbesondere für solche Anwendungen bietet das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Methode mit deutlich reduzierter Empfängerkomplexität und erhöhter Empfindlichkeit.
Die Figur 1b zeigt eine beispielhafte Ausführung des Systems der vorliegenden Erfindung, wobei die Mischerstufe 23 keinen gesonderten Eingang für das Sendesignal 12 aufweist. Die Sendevorrichtung 10 umfasst einen Signalgenerator bzw. Funktionsgenerator 13 und eine Sendeantenne 11. Das Sendesignal 12 wird auf die zu detektierenden Reflexionsobjekte 2a und 2b gerichtet und von diesen reflektiert. Das Reflexionsobjekt 2b ist in diesem Beispiel ein Fremdkörper in einem ansonsten homogenen Objekt, wobei das Reflexionsobjekt 2a dessen Oberfläche ist.
Eine mögliche Anwendung der vorliegenden beispielhaften Ausführung stellt die Analyse von aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) gefertigten Bauteilen dar. Verschiedene Defekte in der Struktur der Bauteile, wie z.B. Verunreinigungen, Delaminierung, Falten, Lufteinschlüsse, Harznester, trockene Laminatstellen oder Ondulation der Fasern können sowohl während des Produktionsprozesses als auch am fertiggestellten Bauteil vollständig und sicher erkannt werden.
In diesem Anwendungsfall stellt die Oberfläche des Bauteils das erste Reflexionsobjekt 2a, und somit das Referenzobjekt, dar. Bei einem idealen Bauteil mit einer homogenen inneren Struktur würde eine zweite Reflexion erst an der Rückseite des Bauteils stattfinden. In diesem Fall entspricht das Reflexionsobjekt 2b der Rückseite des analysierten Bauteils. Im Falle von oben beschriebenen Defekten finden jedoch im Bauteil selber weitere Reflexionen an den Grenzschichten der einzelnen Defekte statt, wobei die verschiedenen Defekte den Reflexionsobjekten 2b entsprechen. Mithilfe der Signalauswertung kann der Abstand zwischen der Bauteiloberfläche (Reflexionsobjekt 2a/Referenzobjekt) und den Defekten (Reflexionsobjekte 2b) ermittelt werden. Im Weiteren kann durch eine Vielzahl von Messungen die räumliche Ausdehnung der Defekte ermittelt werden.
Die Empfangsvorrichtung 20 des Systems umfasst eine Empfängerantenne 21 , die das von den Reflexionsobjekten 2a und 2b reflektierte Sendesignal 12, welches den Empfangssignalen 22a bzw. 22b entsprechen, empfängt und diese der ebenfalls von der Empfangsvorrichtung 20 umfassten Mischerstufe 23 zuführt. Die Mischerstufe 23 analysiert die Empfangssignale 22a und 22b und leitet die Messergebnisse, im vorliegenden Fall den Abstand zwischen Reflexionsobjekt 2a und Reflexionsobjekt 2b, an beispielsweise eine Ausgabevorrichtung 24 weiter.
Eine bevorzugte Ausführung der Mischerstufe 23 nutzt den Effekt der Eigenmischung eines physikalischen Bauelementes, welcher immer dann auftritt, wenn das Bauelement in dem relevanten Frequenzbereich eine nichtlineare Übertragungskennlinie aufweist (z.B. Diode, T ransistor, Photodiode, Mikrofon etc.).
Die von der Empfangsantenne 21 empfangenen Empfangssignale 22a und 22b werden durch die Mischerstufe 23 analysiert. Dabei weist das Empfangssignal 22b eine zeitliche Verzögerung gegenüber dem Empfangssignal 22a auf, da die von der Sendeantenne 11 ausgesendete Strahlung zusätzlich die Strecke von dem Reflexionsobjekt 2a zum Reflexionsobjekt 2b und vom Reflexionsobjekt 2b zum Reflexionsobjekt 2a zurücklegen muss, sprich den doppelten Abstand zwischen Reflexionsobjekt 2a und Reflexionsobjekt 2b.
Die Zeitverzögerung der Empfangssignale 22a und 22b in Relation zum Sendesignal 12 wird nicht gemessen, da die Mischerstufe 23 keinerlei Information über das ausgesendete Sendesignal 12 erhält. Dadurch kann eine reduzierte Empfängerkomplexität erreicht werden.
Die Figur 2 zeigt die der Mischerstufe zugeführten Empfangssignale der beispielhaften Ausführung in Figur 1 b. Dargestellt ist das Empfangssignal 22a, welches das von dem Reflexionsobjekt 2a reflektierte Sendesignal 12 umfasst, und das Empfangssignal 22b, welches das von dem Reflexionsobjekt 2b reflektierte Sendesignal 12 umfasst und im Vergleich zu dem Empfangssignal 22a zeitverzögert ist.
Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Sendesignal 12 um ein frequenzmoduliertes Signal mit Sägezahn-Form, welches besonders geeignet für das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist. Durch die zeitliche Verzögerung At des Empfangssignals 22b kann für einen bestimmten Zeitpunkt ti die Frequenzdifferenz Af der beiden Empfangssignale 22a und 22b ermittelt werden. Durch Ermitteln der Steilheit des Frequenzanstiegs, sprich die Änderung der Frequenz pro Zeit, kann auf die zeitliche Verzögerung At und folglich auf die Distanz zwischen Reflexionsobjekt 2a und 2b rückgeschlossen werden.
Wie in Figur 2 zu sehen, kann die Distanz zwischen den Reflexionsobjekten nur eindeutig bestimmt werden, wenn die Zeitverzögerung des zweiten Empfangssignals 22b aufgrund der zusätzlich zurückgelegten Strecke geringer ist als die Periodendauer des Sendesignals, die sogenannte„sweep time“. Außerdem muss der Messzeitpunkt ti so gewählt sein, dass dieser nach der steilen, abfallenden Flanke des zeitverzögerten Empfangssignals 22b und vor der steilen, abfallenden Flanke des Empfangssignals 22a liegt, da sonst kein korrektes Ergebnis basierend auf der Frequenzdifferenz der beiden Empfangssignale errechnet werden kann. Dies gilt in gleicher Weise bei Verwendung eines frequenzmodulierten Sendesignals bei dem konventionellen Verfahren nach Figur 1a.
Bei frequenzmodulierten Sendesignalen wird durch die Wahl des Frequenzhubs pro Zeit das Auflösungsvermögen (Genauigkeit) und durch die Dauer des Frequenzanstiegs (Periodendauer) der maximal mögliche Messbereich bestimmt. Ein großer Frequenzhub benötigt eine aufwendigere und teurere Sende- und Empfangselektronik, sodass dieser in der Regel moderat gehalten wird. Hingegen ist meist ein möglichst gutes Auflösungsvermögen des Detektionssystems wünschenswert. Folglich muss der Messbereich des Detektionssystems eingeschränkt werden, um ein möglichst genaues System mit moderatem technischem Aufwand zu erhalten.
Der Messbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Vergleich sehr gering. Er entspricht der Distanz zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und dem davon am weitesten entfernten Reflexionsobjekt. Bei konventionellen Verfahren, wie etwa in Figur 1a dargestellt, wird ein weitaus größerer Messbereich benötigt, da sich dieser zusätzlich auf die Distanz zwischen Sendeantenne 11 und dem am nächsten gelegenen Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) erstrecken muss, was in der Regel einer Vervielfachung des Messbereichs entspricht.
Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch eine stark verbesserte Genauigkeit bei gleichbleibendem technischem Aufwand. Bezugszeichenliste
1 Reflexionsobjekt
2a erstes Reflexionsobjekt
2b zweites Reflexionsobjekt
10 Sendevorrichtung
1 1 Sendeantenne
12 Sendesignal
13 Signalgenerator
20 Empfangsvorrichtung
21 Empfangsantenne
22 Empfangssignal
22a erstes Empfangssignal
22b zweites Empfangssignal
23 Mischerstufe
24 Ausgabevorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend die Schritte:
Erzeugen eines Sendesignals (12) umfassend zumindest eine modulierte
Welle;
Empfangen eines ersten Empfangssignals (22a), wobei das erste
Empfangssignal (22a) auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt (2a) reflektierten Sendesignal (12) basiert;
Empfangen eines zweiten Empfangssignals (22b), wobei das zweite Empfangssignal (22b) auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierten Sendesignal (12) basiert;
Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten
Empfangssignal (22b).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters des Systems ohne Einbeziehen des Sendesignals (12) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte elektromagnetische Welle umfasst und/oder wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte akustische Welle umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Sendesignal (12) eine frequenzmodulierte und/oder phasenmodulierte und/oder amplitudenmodulierte und/oder pulsmodulierte Welle umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine physikalische Parameter ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei bekanntem Abstand zwischen erstem und zweitem Reflexionsobjekt als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems das Vorhandensein eines Mediums zwischen erstem und zweitem Reflexionsobjekt ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als physikalischer Parameter des Systems zumindest ein physikalischer Parameter des Mediums, insbesondere dielektrische Eigenschaften des Mediums, ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Reflexionsobjekt (2b) zumindest teilweise von dem ersten Reflexionsobjekt (2a) umgeben ist; und/oder
wobei das Sendesignal (12) zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt (2a) propagiert und aus diesem austritt, bevor es von dem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von dem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierte Sendesignal (12) zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt (2a) propagiert.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein örtlicher Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (2a) und dem zweiten Reflexionsobjekt (2b) basierend auf einer Divergenz der Modulation des ersten Empfangssignals (22a) und des zweiten Empfangssignals (22b) ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine physikalische Parameter des Systems, insbesondere ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (2a) und dem zweiten Reflexionsobjekt (2b), basierend auf einer Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) ermittelt wird.
12. Vorrichtung zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend:
eine Empfangsvorrichtung (20) mit einer Empfangsantenne (21 ), dazu ausgebildet:
ein erstes Empfangssignal (22a) zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal (22a) auf einem von einem ersten Reflexionsobjekt (2a) reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert;
ein zweites Empfangssignal (22b) zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal (22b) auf einem von einem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert; und
den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) zu ermitteln.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte elektromagnetische Welle umfasst und/oder wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte akustische Welle umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Empfangsvorrichtung (20) eine Mischerstufe (23) umfasst, welche zum Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) geeignet ist,
wobei der zumindest eine physikalische Parameter des Systems basierend auf der ermittelten Frequenzdifferenz ermittelbar ist.
15. System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend:
eine Sendevorrichtung (10) mit einer Sendeantenne (11 ), dazu ausgebildet ein Sendesignal (12) umfassend zumindest eine modulierte Welle auszusenden; eine Empfangsvorrichtung (20) mit einer Empfangsantenne (21 ), dazu ausgebildet:
ein erstes Empfangssignal (22a) zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal (22a) auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt (2a) reflektierten Sendesignal (12) basiert; ein zweites Empfangssignal (22b) zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal (22b) auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierten Sendesignal (12) basiert; und
den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) zu ermitteln.
16. System nach Anspruch 15, wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte elektromagnetische Welle umfasst und/oder wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte akustische Welle umfasst.
17. System nach Anspruch 15 oder 16, wobei das System ein mobiles System, insbesondere ein tragbares System ist.
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