Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines reflektierenden oder streuenden Objekts unter Verwendung von mindestens drei Empfängern und mindestens einem Sender.

Aus dem Stand der Technik sind Techniken bekannt, welche den Abstand eines Objekts zu einer Signalquelle aufgrund eines reflektierten Signals relativ zu der Signalquelle bestimmen können, wie z.B. die Abstandsmessung bei einem Fahrzeug. Diese Systeme messen somit lediglich die Entfernung zu einem vor dem System liegenden Objekt. Demnach kann mit diesen bekannten Methoden keine Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum bestimmt werden.

Zur Positionsbestimmung (Ortung) von Objekten im dreidimensionalen Raum gibt es verschiedene Lösungen, wie z.B. die GPS-Ortung oder GSM-Ortung. Allerdings verlangen alle diese Verfahren und ihre verschiedenen Varianten ein Objekt, welches aktiv ein Signal aussendet. Somit kann ein passives Objekt, welches nicht aktiv ein Signal sendet, mit den bestehenden Lösungen nicht geortet werden.

Die WO 2006/130004 AI beschreibt ein Radarsystem für ein Flugzeug, um bei Betrieb mindestens ein weiteres Flugobjekt in einer das Flugzeug umgebenden Region zu erfassen, wobei das System mindestens ein Untersystem umfasst, welches mindestens einen Sender zum Aussenden eines elektromagnetischen Messsignals und ein in Phasen angeordnetes Array aus Empfängern zum gleichzeitigen Empfangen von Reflexionen des ausgesendeten Messsignals und zum Erzeugen von Empfangssignalen, die jeweils eine empfangene Reflexion des

Messsignals darstellen aufweist. Das Untersystem weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten von jedem der Empfangssignale auf, um Informationen über ein erfasstes Flugobjekt in der das Flugzeug umgebenden Region zu erhalten. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgestaltet, um die Richtung relativ zu dem Flugzeug zu bestimmen, von der die

empfangenen Reflexionen ausgehen, und wobei, um diese Richtung zu bestimmten, die

Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, um eine schnelle Fouriertransformation bezüglich eines Empfangssignals durchzuführen.

Die US 2013/0172739 AI beschreibt eine Nuklearsonde und einen Ultraschallwandler, die miteinander verbunden sind. Die Verbindung richtet die Koordinatensysteme in einer bekannten räumlichen Beziehung aus. Die Ultraschalldaten werden verwendet, um einen Versatz des Wandlers oder eine Positionsänderung des Wandlers zu erfassen ohne einen Verfolgungssensor zu verwenden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine

Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die eine Positionsbestimmung eines Objekts im

dreidimensionalen Raum erlaubt, wobei sich das Objekt an jeder beliebigen Stelle im Raum befinden kann und dabei nicht aktiv ein Signal senden muss. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die ein oder mehrere der oben erwähnten Probleme der bekannten Systeme beseitigt.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter anderem aus der nachfolgenden Beschreibung.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf weitere Aspekte der Erfindung.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Sender, der dazu geeignet ist, ein Signal abzustrahlen und mindestens drei Empfänger, wobei die mindestens drei Empfänger und der mindestens eine Sender vorzugsweise im Wesentlichen innerhalb einer ersten Ebene angeordnet sind, wobei ein erster Empfänger und ein zweiter Empfänger vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer ersten Geraden, bevorzugt beabstandet voneinander, angeordnet sind und ein dritter Empfänger vorzugsweise von der ersten Gerade beabstandet angeordnet ist. Ferner umfasst die

erfindungsgemäße Vorrichtung einen Prozessor, der konfiguriert ist, mindestens drei Laufzeiten zu ermitteln, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, aus den ermittelten Laufzeiten sowie der Anordnung des Senders und der Empfänger die dreidimensionale Position des Objekts zu bestimmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch dazu geeignet, die

Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts zu bestimmen, indem die dreidimensionale Position vieler ein Objekt bildender Punkte (Punktewolke) bestimmt wird. Auf diese Weise kann nicht nur die makroskopische Form eines dreidimensionalen Objekts, sondern auch dessen

mikroskopische Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) bestimmt werden.

Sind der mindestens eine Sender und die mindestens drei Empfanger nicht innerhalb einer Ebene angebracht, so entsteht im Algorithmus ein Positionsfehler. Die ausgegebenen Positionen weisen aber immer noch die richtige Tendenz auf. Der Versatz der Sensoren von der Ebene äußert sich durch eine kürzere bzw. längere Laufzeit und dadurch in einer imaginär versetzten Position des Objekts. Wie oben durch den Begriff„beabstandet" beschrieben, sollten die beiden Empfänger einen Abstand zueinander aufweisen, um eine Ebene durch die zwei Empfänger und das Objekt zu erzeugen. Der Abstand kann dabei infinitesimal klein sein. Äquivalentes gilt auch für den Abstand zwischen der ersten Geraden und dem dritten Empfänger.

Unter der Bestimmung der dreidimensionalen Position des Objekts im Raum wird dabei die Bestimmung aller Koordinaten (z.B. x-, y- und z-Koordinate in einem kartesischen

Koordinatensystem) des Objekts, beispielsweise seines Schwerpunkts, in Bezug auf die

Anordnung von Sender und Empfängern verstanden. In einigen Ausfuhrungsformen kann es sich hierbei auch um die Bestimmung der Position in einem Halbraum (z.B. z > 0) handeln.

Die Laufzeit wird dabei bevorzugt als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem ein vom Objekt reflektiertes und/oder gestreutes Signal an einem Empfänger detektiert wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der Sender das dem empfangenen Signal korrespondierende Signal gesendet hat, ermittelt.

Für die Ermittlung der Position kann die beispielsweise voreingestellte Anordnung des Senders und der Empfänger im Prozessor (oder einem zugehörigen Speicher) gespeichert sein oder aber messtechnisch bestimmt werden, wie nachfolgend näher beschrieben.

Vorzugsweise ist der Sender auf der ersten Gerade zwischen dem ersten und zweiten Empfänger, beispielsweise mittig, angeordnet. Alternativ kann die Position des Senders mit der Position eines der mindestens drei Empfänger im Wesentlichen identisch sein. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass einer der drei Empfänger gleichzeitig auch als Sender dient. Mit anderen Worten kann der Sender eine eigenständige Einheit sein, die ausschließlich zum Senden eines Signals geeignet ist. Der Sender kann aber auch in einen Empfänger integriert sein. Somit kann die Position des Senders und des Empfängers im

Wesentlichen identisch sein. Ein Empfänger mit Sende- und Empfangsfunktionalität in einer Einheit kann auch als Sensor bezeichnet werden. Es kann allerdings ausreichend sein, eine Sende- und eine Empfangseinheit nebeneinander anzuordnen. Ferner kann der Sender auch mit einem vorbestimmten Abstand senkrecht zu der ersten Geraden angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Ausgangspunkt des Signals senkrecht zur Geraden und/oder senkrecht zur Ebene um einen vorbestimmten Abstand versetzt sein.

Es können auch in allen drei Empfängern drei Sender integriert sein, die z.B. alle gleichzeitig oder zeitversetzt (verschieden modulierte Signale) senden können.

Der Sender kann vorzugsweise dazu geeignet sein, das Signal isotrop in alle

Raumrichtungen oder zumindest in einem Halbraum abzustrahlen, oder ein Halbkreissender sein. In letzterem Fall befindet sich der Mittelpunkt des Halbkreissenders vorzugsweise in der ersten Ebene und auf der ersten Geraden, sodass das Signal seinen Ausgangspunkt auf einem Halbkreis mit einem Abstand (Radius des Halbkreises) von der ersten Geraden hat. Dies soll im Kontext der Erfindung jedoch so verstanden werden, dass der Halbkreissender innerhalb der ersten Ebene angeordnet ist.

Der Prozessor kann ferner konfiguriert sein, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Ellipsenbahn oder eine erste Halbellipsenbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfänger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Ellipsenbahn oder eine zweite Halbellipsenbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird.

Beispielsweise kann die x-Koordinate als eine Koordinate entlang der ersten Geraden definiert werden. In diesem beispielhaften Koordinatensystem kann die y-Koordinate eine Koordinate senkrecht zur x-Koordinate sein, wobei die x- und y-Koordinaten die erste Ebene definieren. Somit ist die z-Koordinate eine Koordinate, die senkrecht durch die erste Ebene verläuft. Vorzugsweise wird der Koordinatenursprung auf die Position des Senders gelegt. Es ist allerdings klar, dass die Lage des Koordinatensystems keinen Einfluss auf das Messprinzip hat und frei gewählt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls möglich, dass der erste Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn zusammenfallt und der erste Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der zweiten

Ellipsenbahn zusammenfällt. In diesem Fall handelt es sich um einen Kreis (als Spezialfall einer Ellipse). Mit anderen Worten ist es gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Kreisbahn oder Halbkreisbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfänger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Kreisbahn oder Halbkreisbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden Kreisbahnen oder Halbkreisbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird.

Vorzugsweise ist der Prozessor ferner konfiguriert, aus einer dritten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum dritten Empfänger benötigt, einen Winkel zwischen der ersten und zweiten Ebene zu bestimmen. Mit anderen Worten, die Lage der zweiten Ebene (im Vergleich zu der ersten Ebene) wird über die dritte Laufzeit bestimmt. Ohne die dritte Laufzeit ist nur die Bestimmung der Position innerhalb der zweiten Ebene möglich. Durch die dritte Laufzeit entsteht eine Strecke, welche den Winkel bzw. die Kippung zwischen den zwei Ebenen bestimmen lässt.

Somit kann aus dem Schnittpunkt der beiden Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene und der Lage/Winkel/Kippung der zweiten Ebene (im Vergleich zu der ersten Ebene) die dreidimensionale Position, d.h. z.B. die x-, y-, z-Koordinaten der Position des Objekts im Falle eines kartesischen Koordinatensystem, im dreidimensionalen Raum bestimmt werden. Da es genaugenommen zwei Schnittpunkte von zwei sich schneidenden Ellipsen gibt, wird bevorzugt anhand der Kenntnis der Anordnung des System (beispielsweise anhand der Annahme, dass der Sender nur Signale in einem Halbraum aussendet oder ein Objekt aus geometrischen Gründen lediglich an einem der beiden Schnittpunkte präsent sein kann), der korrekte der beiden Schnittpunkte ausgewählt.

Beispielsweise kann die x-Koordinate als eine Koordinate entlang der ersten Geraden definiert werden. In diesem beispielhaften Koordinatensystem kann die y-Koordinate eine Koordinate senkrecht zur x-Koordinate sein, wobei die x- und y-Koordinaten die erste Ebene definieren. Somit ist die z-Koordinate eine Koordinate, die senkrecht durch die erste Ebene verläuft. Vorzugsweise wird der Koordinatenursprung auf die Position des Senders gelegt. Es ist allerdings klar, dass die Lage des Koordinatensystems keinen Einfluss auf das Messprinzip hat und frei gewählt werden kann.

Bei Verwendung eines Halbkreissenders, sodass das Signal seinen Ausgangspunkt auf einem Halbkreis mit einem Abstand (Radius h des Halbkreises) von der ersten Geraden hat entsteht eine Verkippung der Halbellipsenbahnen. Diese Verkippung entsteht durch den Abstand (Radius) h des Ausgangssignals des Halbkreissenders. Das Signal wird um den Radius h (in der zweiten Ebene) höher ausgestrahlt als bei einem Verfahren ohne den Halbkreissender. Dadurch werden die zwei Brennpunkte der beiden Halbellipsenbahnen um den Abstand h angehoben und die oberen (positiven) Halbellipsenbahnen werden nach oben verkippt und die unteren

(negativen) Halbellipsenbahnen nach unten verkippt.

Daraus kann, wie nachstehend weiter unten näher beschrieben, eine Verkippung der Halbellipsenbahnen entstehen. Vorzugsweise bei einem Winkel ungleich null (bzw. oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes) kann die jeweilige Ellipsenbahn in jeweils zwei

Halbellipsenbahnen entlang der ersten Geraden aufgeteilt werden und unter dem Winkel in Bezug auf die erste Ebene in positiver bzw. in negativer Richtung verkippt werden. Dieses Verfahren kann z.B. Anwendung finden wenn die Signalquelle einem Halbkreissender entspricht oder auch wenn die Signalquelle eine Ausdehnung hat, die gegenüber der ausgesandten

Strahlung groß ist und somit näherungsweise einem Versatz senkrecht zur ersten Geraden entspricht.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß der vorhergehenden Beschreibung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einen Prozessor aufweist, der konfiguriert ist, aus der Form und/oder der Laufzeit eines oder mehrere von einem oder mehreren der mindestens drei Empfängern empfangener Signale die Ausdehnung und/oder die Größe und/oder die Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts zu ermitteln. Wobei

vorzugsweise eine Signalquelle genutzt wird, die mehrere kurze Impulse aussendet um zu ermöglichen, dass das Objekt als eine Punktewolke darzustellen ist um somit besser die

Objektgeometrie zu erfassen.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur

Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Senden eines Signals von einer Sendeposition, das zumindest teilweise von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wird und das Empfangen des zumindest teilweise reflektierten und/oder gestreuten Signals an mindestens drei Empfangspositionen, wobei die mindestens drei Empfangspositionen vorzugsweise im Wesentlichen innerhalb einer ersten Ebene mit der Sendeposition angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsposition und eine zweite

Empfangsposition vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer ersten Geraden, bevorzugt voneinander beabstandet, angeordnet sind und eine dritte Empfangsposition vorzugsweise von der ersten Gerade beabstandet angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen von mindestens drei Laufzeiten, wobei die jeweilige Laufzeit eine Zeit ist, die das Signal von der Sendeposition über das Objekt bis zur jeweiligen Empfangsposition benötigt und das Ermitteln der dreidimensionalen Position des Objekts unter Verwendung der bestimmten Laufzeiten sowie der Anordnung der Sendeposition und der Empfangspositionen.

Die Sendeposition kann entlang der ersten Geraden angebracht sein, bevorzugt zwischen der ersten und zweiten Empfangsposition, oder auch mit einer der mindestens drei

Empfangspositionen im Wesentlichen identisch ist.

Die Ermittlung einer ersten Koordinate der dreidimensionalen Position des Objekts kann auf der Basis einer ersten und zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten bzw. zweiten Empfänger benötigt, und der Abstände der ersten und der zweiten Empfangsposition zur Sendeposition erfolgen, wobei die erste Koordinate die Position des Objekts entlang der ersten Geraden definiert. Vorzugsweise wird die Ermittlung der Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Schnittpunktes einer ersten und einer zweiten Ellipsenbahn oder einer ersten und einer zweiten Halbellipsenbahn innerhalb einer zweiten Ebene durchgeführt, wobei eine erste Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, die erste Ellipsenbahn oder die erste Halbellipsenbahn in der zweiten Ebene definiert und eine zweite Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten

Empfänger benötigt, die zweite Ellipsenbahn oder die zweite Halbellipsenbahn in der zweiten Ebene definiert. Unter Verwendung des Schnittpunktes der ersten und der zweiten Ellipsenbahn oder der ersten und der zweiten Halbellipsenbahn innerhalb der zweiten Ebene kann nicht nur eine y- und z-Koordinate (beispielhaftes Koordinatensystem wie oben beschrieben) des Objekts im dreidimensionalen Raum bestimmt werden, sondern auch die x-Koordinate (Koordinate entlang der ersten Geraden) des Objekts im dreidimensionalen Raum. Die zweite Ebene wird dabei durch die erste Gerade und das Objekt definiert. Mit anderen Worten, die zweite Ebene ist eine Ebene, die durch den ersten Empfänger, den zweiten Empfänger und das Objekt definiert ist.

Wie oben bereits beschrieben kann der erste Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn zusammenfallen und der erste Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn zusammenfallen um eine Kreisbahn zu definieren.

Vorzugsweise wird die Berechnung der Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Winkels zwischen der ersten und zweiten Ebene durchgeführt, wobei die dritte Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum dritten Empfänger benötigt, den Winkel definiert. Der Winkel definiert dabei eine mögliche Verkippung der ersten Ebene gegen die zweite Ebene (siehe auch Erläuterungen oben).

Ferner kann das Verfahren einen Schritt zur Berechnung der Abstände der

Empfangspositionen zu der Sendeposition aufweisen, wobei die Berechnung der Abstände auf einer Laufzeit eines direkt von der Sendeposition zur jeweiligen Empfangsposition übertragenen Signals, unter Verwendung einer vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit, beruht.

Ist mit anderen Worten die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals bekannt, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abstände auf der Basis der direkt vom Sender zum jeweiligen Empfänger gemessenen Laufzeiten der Signale bestimmt werden. Somit könnte eine Bestimmung der Abstände zwischen den Empfängern bzw. zwischen den Empfängern und dem Sender im Vorfeld der Benutzung entfallen. Dies könnte z.B. eine flexible Anbringung der Empfänger und Sender ermöglichen, d.h. eine feste Anbringung der Elemente mit vorbestimmten Abständen wäre nicht zwingend nötig. Dies könnte auch zu geringeren Herstellungskosten und flexibleren Anwendungsgebieten führen, z.B. könnten die Empfänger und der Sender unabhängig voneinander aufbewahrt werden und je nach Situation an einer vorhandenen Ebene (z.B. einer Gebäudewand, einer Stoßstange eines Autos etc.) angebracht werden, ohne die Abstände genau bestimmen zu müssen. Nach Verwendung könnten die Empfänger und der Sender von der Ebene abgenommen werden und an einer anderen Ebene neu angebracht werden. Als weiteres Beispiel könnte im Produktionsprozess des Sensorsystems die Position der einzelnen Empfänger zum Sensor bestimmt werden und der Algorithmus der

Toleranzabweichung jedes einzelnen Sensors angepasst werden.

Alternativ kann das Verfahren einen Schritt zur Berechnung einer

Ausbreitungsgeschwindigkeit des gesendeten Signals aufweisen, wobei die Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem direkt von der Sendeposition zu einer der mindestens drei Empfangspositionen übertragenen Signals, unter Verwendung eines vorgegebenen Abstands zwischen der Sendeposition und der einen der mindestens drei Empfangspositionen, beruhen.

Sind mit anderen Worten die Abstände zwischen den Empfängern und dem Sender bekannt, kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die Ausbreitungsgeschwindigkeit des aus dem direkt von der Sendeposition zu einer der mindestens drei Empfangspositionen übertragenen Signals bestimmt werden. Dies ist vorteilhaft, um eine Kalibrierung der Vorrichtung vor der Positionsbestimmung bereitzustellen. Ferner kann sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit situationsbedingt ändern (z.B. durch eine Temperaturänderung der Umgebung, Einsatz in verschiedenen Ausbreitungsmedien). Somit könnte eine Kalibrierung vor jedem Messvorgang unter anderem die Messgenauigkeit verbessern.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren wie oben beschrieben bereitgestellt sein und zusätzlich einen Schritt zum Berechnen der Ausdehnung und/oder der Größe und/oder der Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts unter Verwendung der Form und/oder der Laufzeit eines oder mehrere von einer oder mehreren der drei

Empfangspositionen empfangener Signale aufweisen.

Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung wiederholt ausgeführt wird und dabei die Sendeposition variiert wird und bevorzugt zwischen zwei oder mehreren Empfangspositionen wechselt. Dadurch kann z.B. die Messgenauigkeit erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung bzw. des oben beschriebenen Verfahrens für eine oder eine Kombination der folgenden Anwendungen: Gestenerkennung (Gestensteuerung), Personenerkennung, Positionserkennung von Objekten (Personen, Gegenstände, usw.), Geschwindigkeitsmessung von Objekten (Personen, Gegenstände, usw.), Raumüberwachung (Alarmanlage,

Präsenzerkennung), Volumenerkennung, Erkennung von Geometrien (3D-Scanner), Erzeugen eines 3D-Farbbildes (Sensor + Kamera), zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Körperscan (z.B. Organ-, Gewebe- und Knochenscan), Fischfinder, Scannen von Gewässerböden, Mikroskopie, Kartographie, Darstellung von Temperatur- und Gasfluss, Umgebungserkennung (z.B. für autonome Fahrzeuge, Drohnen), Bodenscanner zur Rohstoffsuche und/oder Erkennung der Bodeninfrastruktur, Navigation, Durchleuchten von Objekten (Erkennung der inneren Struktur), Sicherheitsanwendungen (z.B. am Flughafen), Erkennung von bewegten Objekten,

meteorologische Beobachtungen, Einsatz zur Steuerung von Maschinen, Einsatz im militärischen Bereich (z.B. Minensucher), Füllstandmessung, Höhenkontrolle, Anwesenheitskotrolle,

Kollisionsschutz, Wegerfassung, Entfernungsmessung, und/oder Klassifizierung.

Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf jede Art von Welle anwendbar, sofern entsprechende Sender und Empfänger für derartige Wellen konstruiert werden können, und umfasst insbesondere elektromagnetische Wellen wie z.B. Radio wellen, Mikrowellen,

Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung; Druckwellen z.B. akustische Wellen, Stoßwellen; Gravitationswellen; Strahlung wie z.B. Teilchenstrahlung und

Wellenstrahlung; Plasmawellen; Materiewellen; Biegewellen; seismische Wellen; magnetische Wellen; elektrische Wellen.

Merkmale, die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben sind, können selbstverständlich auch entsprechenden Eigenschaften der entsprechenden Einrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen. Entsprechend können Merkmale der beschriebenen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Verfahrensmerkmalen entsprechen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematisches 3 D- Ansicht des geometrischen Konstrukts für drei

Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 a eine schematische Draufsicht auf das geometrische Konstrukt für drei

Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3b ein schematische geometrisches Konstrukt aus zwei Hilfsstrecken gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Laufzeitmessung mit zwei Empfängern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5a ein schematisches geometrisches onstrukt für zwei Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5b eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Positionen des Objekts auf zwei Ellipsenbahnen gemäß der ersten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine schematisches Ansicht eines möglichen Aufbaus eines Halbkreissenders gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische 3D-Ansicht des geometrischen Konstrukts für drei

Laufzeitmessungen durch Reflexion mit einem Halbkreisender gemäß der zweiten

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 a eine schematische Draufsicht auf das geometrische Konstrukt für drei

Laufzeitmessungen durch Reflexion mit einem Halbkreissender gemäß der zweiten

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8b eine schematische Darstellung des geometrischen Konstrukts aus zwei

Hilfsstrecken gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Laufzeitmessung mit zwei Empfängern und einem Halbkreissender gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10a eine schematische Darstellung des geometrisches Konstrukts für zwei

Laufzeitmessungen durch Reflexion mit Halbkreissender gemäß der zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 10b eine schematische Darstellung der möglichen Positionen des Objekts auf vier gekippten Halbellipsenbahnen gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 eine schematische Draufsicht einer Sensoranordnung gemäß der dritten

Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine schematisches 3D-Ansicht des geometrischen Konstrukts für drei

Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der dritten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 13a eine schematische Draufsicht des geometrische Konstrukts gemäß Fig. 12 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13b eine schematische Darstellung des geometrisches Konstrukts gemäß Fig. 12 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Laufzeitmessung mit zwei Empfängern gemäß der dritten Ausf hrungsform der Erfindung, Fig. 15a eine schematische Darstellung des geometrisches Konstrukts für zwei Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der dritten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 15b eine schematische Darstellung der möglichen Positionen des Objekts auf zwei Kreisbahnen gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 16 eine schematische Darstellung zum Durchschalten der Sendefunktionalität der Sensoren gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 17 eine schematische Darstellung der empfangenen Signale gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 18 eine schematische Darstellung der Reflexion an zwei ausgedehnten Objekten,

Fig. 19 eine schematische Darstellung der von den beiden Objekten gemäß Figur 18 empfangenen Signale,

Fig. 20 eine schematische Darstellung der von den beiden Objekten gemäß Figur 18 empfangenen Signale,

Fig. 21 eine schematische Darstellung der Reflexion an zwei ausgedehnten Objekten, und

Fig. 22 eine schematische Darstellung einer rauen Oberfläche.

Fig.1 zeigt den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Empfänger 10, einem zweiten Empfänger 20, einem dritten

Empfänger 30 und einem Sender 40. Die Beziehungen zwischen den einzelnen Komponenten sind ebenfalls gezeigt und nachstehend genauer erklärt.

Der Sender 40 und die drei Empfänger 10, 20, 30 sind gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise auf gleicher Höhe (d.h. vorzugsweise innerhalb einer ersten Ebene, die hier durch z=0 charakterisiert ist) angeordnet. Der Empfänger 10 und der Empfänger 20 sind vorzugsweise in einer Reihe (d.h. vorzugsweise entlang einer ersten Geraden) mit dem Sender 40 positioniert (vorzugsweise auf der gestrichelte Linie), also hier vorzugsweise auf der x- Achse (d.h. y=0 und z=0). Der erste Empfanger 10 hat einen Abstand 2fi von dem Sender 40 und der zweite

Empfänger 20 hat ebenfalls einen Abstand 2f ₂ von dem Sender 40. Die Abstände können sowohl unterschiedlich groß sein, d.h. 2fj φ 2f ₂ , als auch gleich groß sein, d.h. 2fi = 2f ₂ . Der Empfänger 30 kann in x-Richtung die Entfernung b und in y-Richtung die Entfernung a vom

Koordinatenursprung O (hier die Position des Senders 40) aufweisen. Dabei können die Entfernungen a und b jeden Wert annehmen. Allerdings sollte a bevorzugt ungleich null sein, d.h. der dritte Empfänger sollte bevorzugt nicht auf der x- Achse angeordnet sein. Mit anderen Worten, der Empfänger 30 sollte vorzugsweise zur ersten x- Achse beabstandet angeordnet sein. Auch wenn in Fig. 1 von einer mathematisch korrekten Positionierung innerhalb einer Ebene bzw. entlang einer Geraden ausgegangen wird, wird dem Fachmann klar sein, dass kleine Abweichungen hiervon, die sich bereits aus Fertigungstoleranzen etc. ergeben können, nicht aus dem Schutzumfang der Erfindung herausführen können. Auch wenn die Exaktheit der

Positionierung der einzelnen Systemkomponenten einen Einfluss auf die Genauigkeit der ermittelten Position hat, so lässt sich die Position eines Objekts auch dann noch mit

hinreichender Genauigkeit bestimmten, wenn die Komponenten 10, 20, 30 und 40 im

Wesentlichen innerhalb einer Ebene angeordnet sind und/oder wenn die Komponenten 10, 20 und 40 im Wesentlichen entlang einer Gerade angeordnet sind.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform in einer

dreidimensionalen Ansicht. Gemäß Fig. 2 sind der Sender 40, die Empfänger 10, 20, 30, sowie das Objekt 50 schematisch gezeigt. Ferner zeigt Fig. 2 die Strecke s, die das Signal vom Sender 40 zum Objekt 50 zurücklegt. Die Strecken ei, β2, e ₃ gemäß Fig. 2 sind die Strecken, die das am Objekt 50 reflektierte Signal zu den jeweiligen Empfängern zurücklegt. Die weiteren

eingezeichneten Strecken \2D, y2D, d, r, a, b werden nachstehend verwendet und näher beschrieben.

Für die Bestimmung der dreidimensionalen Position des Objekts 50, werden gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung drei Laufzeitmessungen durchgeführt. Die drei Laufzeitmessungen werden mittels des Senders 40 und der drei Empfänger 10, 20, 30 durchgeführt. Durch den Sender 40 wird ein Signal (Strecke s bezeichnet den Weg des schnellsten Signals vom Sender 40 zum Objekt 50, d.h. es wird theoretisch eine Welle oder ein Teilchenstrom ausgestrahlt. Die Strecke s zeigt die kürzeste Laufzeit und somit das erste reflektierte Signal am Objekt.) ausgestrahlt, welches sich im dreidimensionalen Raum ausbreitet, bis es auf ein Objekt 50 trifft und teilweise reflektiert und/oder an diesem gestreut wird. Die reflektierten bzw. gestreuten Anteile des Signals treffen auf die drei Empfänger 10, 20, 30 (entlang der Strecken ei, β2, ej). Dadurch ergeben sich die drei Laufzeiten, die aus der Laufzeit vom Sender 40 zum Objekt 50 zusammen mit der Laufzeit vom Objekt 50 zu den einzelnen Empfängern 10, 20, 30 entstehen (Laufzeitmessung).

Betrachtet man die Strecke .y die das Signal vom Sender 40 bis zu dem Objekt 50 zurücklegt und die einzelnen Strecken ei, e ₂ und e ₃ , die das Signal vom Objekt 50 bis zu dem jeweiligen Empfänger 10, 20, 30 zurücklegen, so erhält man das in Fig. 2 gezeigte,

dreidimensionale geometrische Konstrukt zusammen mit den Hilfsstrecken X2D, y2D, d, r, a, b.

Figuren 3 a und 3b zeigen das geometrische Konstrukt von oben betrachtet (Fig. 3 a:

Draufsicht auf die z- Achse) bzw. von der Seite betrachtet (Fig. 3b:Draufsicht auf die x- Achse). Fig. 3b zeigt zusätzliche Hilfsstrecken q, y und die Koordinate z. Die zwei Hilfsstrecken y _2D und d stehen immer senkrecht zu der x-Achse und sind oben mit dem Objekt verbunden. Zusammen mit der Strecke α bilden diese eine Dreieckskonstruktion (siehe Fig. 3a und 3b).

Aus dem geometrischen Konstrukt ergibt sich die folgende Gleichung:

Wird die Gl. (1) für die Strecke a nach z umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung für die z-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum:

V2y ₂ ² _D a ² - y ₂ ⁴ _D - rf ⁴ + 2d ² y _D + 2d ² a ² - a ⁴

a

Wobei die Gl. (2) bei a > 0 ein positives Vorzeichen und bei a < 0 ein negatives

Vorzeichen besitzt (für die obere Position des Objekts 50, d.h. oberhalb der Ebene, in der sich die Empfänger 10, 20, 30 und der Sender 40 befinden). Befindet sich das Objekt 50 unterhalb der Ebene, in der sich die Empfänger 10, 20, 30 und der Sender 40 befinden, wird das Vorzeichen umgekehrt.

Die Hilfsstrecke d in der Gl. (2) entspricht der folgenden Gleichung:

d = Use3 ^l 2D + y z> ) - 0 - *2D) ² (3)

Die Bestimmung der x-Koordinate des Objekts im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung:

₌ 1 -4/ ₂ ² t/ _sel + 4A ² E/ _se2 - U _{se2 s} ² _el + U _sel U _e2

Die Strecken U _sel , U _se2 und U _se3 sind Strecken, die durch die Laufzeit entstehen (Summe aus der Strecke s und der jeweiligen Strecke e _n ). Diese Strecken werden über die

Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals und die Laufzeiten t , t ₂ und t ₃ , die das Signal vom Sender 40 bis zum jeweiligen Empfänger 10, 20, 30 benötigt, wie folgt bestimmt: U s. en = C t n (5)

Die Bestimmung der y-Koordinate des Objekts im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung:

Wobei die Gl. (6) für die y-Koordinate im dreidimensionalen Raum ein positives

Vorzeichen bei y > q— \a\ und α > 0, sowie bei y < q— \a\ und α < 0 besitzt. Bei allen anderen Wertebereichen hat die Gl. (6) ein negatives Vorzeichen.

Die bei der Fallunterscheidung genannte Hilfsstrecke q berechnet sich wie folgt:

Die in den oberen Gleichungen erwähnten Hilfsstrecken χ _Ώ und y _2D sind die x und y- Koordinate des Objekts 50 bei der Positionsbestimmung des Objekts 50 im zweidimensionalen Raum (ggf. in der zweiten Ebene)

Für die Bestimmung der x und y-Koordinate (x _2D und y _2D ) des Objekts 50 im

zweidimensionalen Raum werden gemäß der ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden

Erfindung ein Sender 40 und zwei Empfänger 10, 20 der drei Empfänger 10, 20, 30 benötigt. Dies ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Bei dieser Anordnung entsteht das in Fig. 5a gezeigte geometrische Konstrukt. Durch die zwei Laufzeitstrecken ej und e^ entstehen zwei

Ellipsenbahnen (siehe Fig. 5b). Die Position des Objekts 50 liegt gemäß Fig. 5b im Schnittpunkt der zwei Ellipsenbahnen. Die beiden ersten Brennpunkte der zwei Ellipsenbahnen fallen dabei genau an der Position des Senders 40 (Ursprung der Strecke s) zusammen.

Aus den geometrischen Konstrukten gemäß den Figuren 5 a und 5b ergeben sich die folgenden Gleichungen für die zwei Laufzeitstrecken (U _sel und U _se2 )

und yio + ^x w + }yh + (2 2 + *2D) (9)

Wird die Gl. (8) für die Laufzeitstrecke U _sel nach y _2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:

4/i ² + UjeiX-Usex + 4* ₂ ² _D + 4Λ ² - 8A» _2D ) ₍₁₀₎

Wird die Gl. (9) für die Laufzeitstrecke U _se2 nach y _2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:

Die Gleichungen, mit einem positiven Vorzeichen, für die Halbellipsenbahnen (10) und (11) werden gleichgesetzt und nullgesetzt:

Nach dem Umstellen der Gl. (12) nach x _2D ergibt sich unter anderem die folgende Gleichung:

- fjUsel + Vissel ^~ Use2 Ull + ^1^2

Es ist zu erwähnen, dass die Gleichung 13 für die x-Komponente im zweidimensionalen Raum der Gleichung der x-Komponente (Gl. 4) im dreidimensionalen Raum entspricht. Werden die Gleichungen für x _2D und y _2D für die positive Halbellipsenbahn (+) in die Gl. (2) für die dreidimensionale z-Koordinate und in die Gl. (6) für die dreidimensionale y-Koordinate eingesetzt, so ergibt sich die Gl. (14) und die Gl. (15):

N

+1 Selbstverständlich stellt die hier im Detail diskutierte bevorzugte Ausfuhrungsform lediglich eine exemplarische Art der Berechnung der Koordinaten dar. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf dieses Beispiel beschränkt. Vielmehr lassen sich aus der geometrischen

Situation, die in den Figuren dargestellt ist, auch andere Gleichungen ableiten, mit Hilfe derer der Fachmann die einzelnen Koordinaten der Objektposition berechnen kann. Lediglich beispielhaft sei erwähnt, dass sämtliche Gleichungen in einem Polarkoordinatensystem völlig anders aussehen. Der Erfindung liegt jedoch unter anderem der allgemeine Gedanke zugrunde, dass zwei der ermittelten drei Laufzeiten zwei sich schneidende Ellipsenbahnen definieren, wie dies in Fig. 5b gezeigt ist. Demensprechend ist der Prozessor bevorzugt dazu konfiguriert, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Ellipsenbahn oder eine erste Halbellipsenbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfänger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Ellipsenbahn oder eine zweite Halbellipsenbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im

dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden

Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird, ohne dass die Erfindung auf eine bestimmte Art der Berechnung beschränkt wäre.

Die oben diskutierte bevorzugte Ausführungsform basiert auf der Annahme, dass der Sender 40 ein Signal im Wesentlichen isotrop aussendet. Allerdings können stattdessen auch andere Sender wie z.B. der in Fig. 6 gezeigte Halbkreissender 60 verwendet werden. Der Halbkreissender 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Hauptkörper 62 auf, durch den ein Schlitz 61 (auch als Öffnung oder Spalte bezeichnet) auf seiner Umfangsseite des Hauptkörpers 62 verläuft. Ausgehend von dem Schlitz 61 wird ein Signal ausgesendet, um sich von dort aus im dreidimensionalen Raum auszubreiten. Damit kann erreicht werden, dass ein Signal einen definierten Startpunkt auf einem Halbkreis hat, d.h. das Signal tritt durch den Schlitz 61 aus dem Halbkreissender 60 aus und breitet sich daraufhin im dreidimensionalen Raum oberhalb des Halbkreissenders 60 aus.

Mit anderen Worten, bei einem Halbkreissender 60 handelt es sich um einen Sender mit einer Signalquelle in Form einer Halbkreisspalte 61. Aus der Signalquelle wird das Signal gleichzeitig in den dreidimensionalen Halbraum ausgesendet. Die Halbkreisform der

Signalquelle ermöglicht dabei eine Objekterfassung oberhalb des Halbkreissenders 60, d.h. für z > 0 (vgl. Fig. 7). Es sind selbstverständlich auch Variationen des Halbkreissenders 60 möglich, bei denen die Signalquelle kleiner oder größer als 180 Grad ist. Fig. 7 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Situation gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das vom Halbkreissender 60 ausgesendete Signal wird durch das zu detektierende Objekt 50 in die drei Empfänger 10, 20, 30 reflektiert.

Zusätzlich zu den aus Fig. 2 bekannten Strecken s, e _L e ₂ , e ₃ , d, a, b, r, y _2D , X ₂ D ist in Fig. 7 der Radius h des Halbkreissenders 60 gezeigt.

Die Anordnung der Empfänger 10, 20, 30 und des Senders, hier der Halbkreissender 60, ist vorzugsweise analog zur Anordnung wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Zu beachten ist, dass bei Verwendung eines Halbkreissenders 60 der Mittelpunkt des Halbkreises der Position des Senders 40 gemäß Fig. 1 entspricht, d.h. der Mittelpunkt des Halbkreises liegt vorzugsweise zum einen innerhalb einer Ebene mit den Empfängern 10, 20, 30 und zum anderen auf einer Geraden mit den Empfängern 10, 20. Somit liegt der Signalursprung in einem vorgegebenen Abstand h (Radius des Halbkreissenders 60) vom Ursprung des Koordinatensystems (vgl. Fig. 7).

Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden für die

Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objekts 50 drei Laufzeitmessungen durchgeführt. Die drei Laufzeitmessungen werden mit Hilfe des Halbkreissenders 60 und der drei Empfänger 10, 20, 30 durchgeführt. Durch den Halbkreissender 60 wird ein Signal wie oben beschrieben ausgestrahlt, welches sich im dreidimensionalen Raum ausbreitet, bis es auf ein Objekt 50 trifft (Strecke s) und teilweise reflektiert wird. Die reflektierten Anteile des Signals treffen auf die drei Empfänger 10, 20, 30 (Strecken e _h e ₂ , e ₃ ). Dadurch ergeben sich die drei Laufzeiten, die aus der Laufzeit vom Halbkreissender 60 zum Objekt 50 (Zeit die das Signal für die Strecke s benötigt) zusammen mit der Laufzeit vom Objekt 50 zum einzelnen Empfänger 10, 20, 30 (Zeit die das Signal für die jeweilige Strecke ej, e ₂ , e ₃ benötigt) entstehen

(Laufzeitmessung) .

Die drei Empfänger 10, 20, 30 und der Mittelpunkt des Halbkreises (Radiusursprung) sind vorzugsweise in einer Ebene (auf gleicher Höhe) angeordnet oder befestigt. Der Empfänger 10 und der Empfänger 20 sind vorzugsweise auf einer Geraden mit dem Halbkreissender 60 positioniert (vorzugsweise auf der gestrichelten Linie), also vorzugsweise direkt auf der x- Achse. Der Empfanger 30 kann in x-Richtung die Entfernung b und in y-Richtung die Entfernung a vom Koordinatenursprung O aufweisen. Dabei darf die Entfernungen a und b jeden Wert annehmen. Vorzugsweise sollte a ungleich null sein.

Betrachtet man die Strecke s, die das Signal vom Halbkreissender 60 bis zu dem Objekt 50 zurücklegt und die einzelnen Strecken e _1; e ₂ und e ₃ , die das Signal vom Objekt 50 bis zu dem jeweiligen Empfänger 10, 20, 30 zurücklegen, so erhält man das in Fig. 7 gezeigte,

dreidimensionale geometrische Konstrukt zusammen mit den eingezeichneten Hilfsstrecken. Fig. 8a zeigt das geometrische Konstrukt von Fig. 7 von oben betrachtet (Draufsicht auf die z- Achse) und Fig. 8b zeigt das geometrische Konstrukt von Fig. 7 von der Seite betrachtet (Draufsicht auf die x- Achse).

Die zwei Hilfsstrecken J^ _Ö und d, stehen immer senkrecht zu der x- Achse und sind oben mit dem Objekt 50 verbunden. Zusammen mit der Strecke a bilden diese eine

Dreieckskonstruktion gemäß den Fig. 8a und 8b.

Aus dem geometrischen Konstrukt ergibt sich die folgende Gleichung:

Wird die Gl. (16) für die Strecke a nach z umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung für die z-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum:

Wobei die Gl. (17) bei a > 0 ein positives Vorzeichen und bei a < 0 ein negatives

Vorzeichen besitzt (für die obere Position des Objekts 50). Für die untere Position wird das Vorzeichen umgekehrt. Obere Position bedeutet, dass sich das Objekt 50 oberhalb der durch die drei Empfänger 10, 20, 30 definierte Ebene befindet. Untere Position bedeutet dementsprechend, dass sich das Objekt 50 unterhalb der durch die drei Empfänger 10, 20, 30 definierte Ebene befindet.

Die Hilfsstrecke d in der Gl. (17) entspricht der Folgenden Gleichung:

Die Bestimmung der x-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die Gl. und Gl. (20). Die Gl. gibt die x-Koordinate des Objekts 50 für eine Laufzeitstrecke bei U _sel > U _se2 und die Gl. (20) die x-Koordinate für eine Laufzeitstrecke bei U _sel < U _se2 . Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass es genauso gut U _sel > U _se2 und U _sel < U _se2 heißen kann. o

Die Strecken U _sel , U _se2 und U _se3 sind Strecken die durch die Laufzeit entstehen (Summe aus der Strecke s und der jeweiligen Strecke e _n ). Diese Strecken werden über die

Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals und die Laufzeiten t _1? t ₂ und t ₃ des Signals wie folgt bestimmt:

Usen = C t _n (21)

Die Bestimmung der y-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung:

Wobei, die Gl. (22) für die y-Koordinate im dreidimensionalen Raum ein positives Vorzeichen bei y > q— \a\ und α > 0, sowie bei y < q— \a\ und α < 0 besitzt. Bei allen anderen Wertebereichen hat die Gl. (22) ein negatives Vorzeichen.

Die bei der Fallunterscheidung genannte Hilfsstrecke q berechnet sich wie folgt:

Die in den oberen Gleichungen erwähnten Hilfsstrecken X ₂ D un y ₂ o ^sm( i d e x- und y- Koordinate des Objekts 50 bei der Positionsbestimmung des Objekts 50 im zweidimensionalen Raum.

Für die Bestimmung der x und y-Koordinate {x _2D und y ₂ o) d ^es Objekts 50 im

zweidimensionalen Raum zeigt Fig. 9 einen Halbkreissender 60 und zwei Empfänger 10, 20.

Aus Fig. 9 kann das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 10a aufgestellt werden. Durch diese Anordnung entstehen ferner vier Halbellipsenbahnen gemäß Fig. 10b, die sich miteinander schneiden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere der zweiten Ausführungsform, liegt die Position des Objekts 50 im Schnittpunkt der zwei Ellipsenbahnen (Halbellipsenbahnen). Aus der Bedingung, dass sich das Signal des Halbkreissenders oberhalb der Ebene ausbreitet, ist der Schnittpunkt, der die Lage des Objekts 50 bestimmt, ebenfalls oberhalb des zweidimensionalen Konstrukts (oberhalb der x _2D - Achse) gemäß Fig. 9 angeordnet. Es ist klar, dass der

Halbkreissender 60 auch in eine andere beliebige Richtung abstrahlen kann als in diesem Beispiel. In jedem Fall ist klar, dass aufgrund des limitierten Sendebereichs des Halbkreissenders 60 der für die Lage des Objekts relevante Schnittpunkt festgelegt ist.

Aus dem geometrischen Konstrukt ergeben sich die folgenden Gleichungen für die zwei Laufzeitstrecken (U _sel und U _se2 ):

U s. ei (24) und u _S e2 = (25)

Wird die Gl. (24) für die Laufzeitstrecke U _sel nach y _2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:

Wird die Gl. (25) für die Laufzeitstrecke U _se2 nach y _2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:

Werden die Gl. (26) und Gl. (27) , mit positiven Vorzeichen, gleichgesetzt, nullgesetzt und nach x _2D umgestellt, so erhält man die Gleichung für die x _2D -Koordinate. Diese ist die Gleiche wie die für die x-Koordinate und entspricht somit der Gl. und Gl. (20). Für die zweite Ausführungsform wird auf das Einsetzen der einzelnen Ergebnisse aufgrund der Komplexität der Ausdrücke verzichtet. Es ist dem Fachmann klar, dass dies im Wesentlichen analog zu der Art und Weise wie schon anhand des ersten Ausfuhrungsbeispiels beschrieben ausgeführt werden kann, um eine„Endgleichung" für die Koordinaten des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum zu erhalten. Es wird aber auch ausdrücklich daraufhingewiesen, dass es nicht zwingend notwendig ist, die„Endgleichungen" aufzustellen, da eine sukzessive

Berechnung der oben beschriebenen Rechenschritte ausreicht, um die Position des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum zu bestimmen.

Fig. 11 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit drei Sensoren 100, 200, 300. Die Sensoren 100, 200, 300 können jeweils ein Bauteil sein, das sowohl Sendeais auch Empfangsfunktionalität besitzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung sollen mindestens drei Sensoren 100, 200, 300 mit Empfangsfunktionalität bereitgestellt werden und mindestens einer der mindestens drei Sensoren 100, 200, 300 kann mit zusätzlicher Sendefunktionalität ausgestattet sein. Es können aber auch alle der mindestens drei Sensoren 100, 200, 300 mit Sende-und Empfangsfunktionalität ausgestattet sein, um z.B. dem System zu ermöglichen, von verschiedenen Sendepositionen zu senden (entweder gleichzeitig oder zeitversetzt).

Gemäß der dritten Ausführungsform kann die Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objekts 50 auf der Basis von drei Laufzeitmessungen durchgeführt werden. Die drei Laufzeitmessungen werden gemäß der dritten Ausführungsform mittels drei Sensoren 100, 200, 300 durchgeführt, wobei mindestens ein Sensor (z.B. Sensor 100) senden und empfangen kann. Möglich ist ebenfalls, dass eine separate Sende- und Empfangsvorrichtung nah beieinander verbaut werden, um mehr oder weniger von der gleichen Position aus zu senden und zu empfangen. Mit anderen Worten, ein Sensor 100, 200, 300 kann auch jeweils aus zwei getrennten Sende- und Empfangsvorrichtungen bestehen, welche in direkter Nähe zueinander angeordnet sind.

Gemäß Fig. 12 wird durch den Sensor 100 ein Signal ausgestrahlt, welches sich im dreidimensionalen Raum ausbreitet, bis es auf ein Objekt 50 trifft (Strecke s) und teilweise reflektiert wird. Die reflektierten Anteile des Signals treffen auf die drei Sensoren 100, 200, 300 (Strecken e _/ , β2, ei). Dadurch ergeben sich die drei Laufzeiten, die aus der Laufzeit vom Sensor 100 zum Objekt 50 zusammen mit der Laufzeit vom Objekt 50 zu den einzelnen Sensoren 100, 200, 300 entstehen (Laufzeitmessung).

Die drei Sensoren 100, 200, 300 sind vorzugsweise in einer Ebene (d.h. auf gleicher Höhe) angeordnet. Der Sensor 300 kann in x-Richtung die Entfernung b und in y-Richtung die

Entfernung a vom Koordinatenursprung 0 aufweisen. Dabei darf die Entfernungen a und b jeden Wert annehmen, wobei der Abstand a vorzugsweise ungleich null ist. Der Koordinatenursprung 0 befindet sich dabei vorzugsweise auf einer Geraden die vorzugsweise zwischen dem Sensor 100 und 200 verläuft. Es ist allerdings klar, dass die Lage des Koordinatenursprungs O keinen Einfluss auf die Durchführbarkeit der vorliegenden Erfindung hat.

Betrachtet man die Strecke s, die das Signal vom Sensor 100 bis zu dem Objekt 50 zurücklegt, und die einzelnen Strecken e _x , e ₂ und e ₃ , die das Signal vom Objekt 50 bis zu dem jeweiligen Sensoren 100, 200, 300 zurücklegen, so erhält man das in der Fig. 12 gezeigte, dreidimensionale geometrische Konstrukt zusammen mit den gezeigten Hilfsstrecken (X2D, >2D, a, b, r, d).

Wird das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 12 von Oben betrachtet (Draufsicht auf die z- Achse), so ergibt sich zusammen mit den Hilfsstrecken die geometrische Konstruktion gemäß Fig. 13 a. Wird das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 12 von der Seite betrachtet (Draufsicht auf die x-Achse), so ergibt sich zusammen mit den Hilfsstrecken die geometrische Konstruktion gemäß Fig. 13b.

Die zwei Hilfsstrecken y _2D und d, stehen immer senkrecht zu der x-Achse und sind oben mit dem Objekt 50 verbunden. Zusammen mit der Strecke a bilden diese eine

Dreieckskonstruktion gemäß den Figuren 13a und 13b.

Aus dem geometrischen Konstrukt ergibt sich die folgende Gleichung:

Wird die Gl. (28) für die Strecke α nach z umgestellt, so ergibt sich die folgende

Gleichung für die z-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum:

1 V2y ₂ ² ₀ a ² - y ₂ ⁴ _D - rf ⁴ + 2d ² yj _D + 2d ² a ² - a ⁴ ₍₂₉₎ ~ 2 a

Wobei die Gl. (29) bei a > 0 ein positives Vorzeichen und bei a < 0 ein negatives Vorzeichen besitzt(für die obere Position des Objekts 50). Für die untere Position wird das Vorzeichen umgekehrt.

Die Hilfsstre

Die Bestimmung der x-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung: l - + f2 ² + UselUse2 - UL2

X = ( 5 1 )

2 A + / ₂

Die Strecken U _sel , U _se2 und U _se3 sind Strecken, die durch die Laufzeit entstehen (Summe aus der Strecke s und der jeweiligen Strecke e _n ). Diese Strecken werden über die

Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals und die Laufzeiten t _l3 1 ₂ und t ₃ des Signals wie folgt bestimmt:

U sen C (32)

Die Bestimmung der y-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung: y = ^yw - (33)

Wobei die Gl. (33) für die y-Koordinate im dreidimensionalen Raum ein positiv

Vorzeichen bei y > q— \a\ und α > 0, sowie bei y < q— \a\ und α < 0 besitzt. Bei allen anderen Wertebereichen hat die Gl. (33) ein negatives Vorzeichen.

Die bei der Fallunterscheidung genannte Hilfsstrecke q berechnet sich wie folgt:

q = y d ² — z ² (34)

Die in den oberen Gleichungen erwähnten Hilfsstrecken x _2D und y _2D sind die x und y- Koordinate des Objekts 50 bei der Positionsbestimmung des Objekts 50 im zweidimensionalen Raum (ggf. in der zweiten Ebene).

Für die Bestimmung der x und y-Koordinate (X ₂ D und y _2D ) des Objekts 50 im

zweidimensionalen Raum werden ein Sender 100 und zwei Empfänger 100, 200 benötigt (siehe Fig. 14). Aus Fig. 14 folgt das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 15a. Wobei gemäß Fig. 15b zwei Kreisbahnen oder Halbkreisbahnen durch die zwei Laufzeitstrecken entstehen. Dabei beschreibt das positive Ergebnis der Gleichung (37) und der Gleichung (38) für die Kreisbahnen die obere Halbkreisbahn und das negative die untere.

Die Position des Objekts 50 liegt im Schnittpunkt der zwei Kreisbahnen. Aus dem geometrischen Konstrukt (Fig. 15b) ergibt sich die folgenden Gleichungen für die zwei Laufzeitstrecken (U _sel und U _se2 ):

und Wird die Gl. (35) für die Laufzeitstrecke U _sel nach y _2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:

1

= + - -4xf _D + U _el - 4 + 8f _lX2D (37)

^~ 2 -

Wird die Gl. (36) für die Laufzeitstrecke U _se2 nach y _2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:

(3 yzo = ± \ J-4/ ₂ ² + U* _el - 4U _sel U _se2 + 4i/ _e2 - 8f ₂ x _2D - 4x 2 ² D

8)

Die Gleichungen für die positiven (+) Halbkreisbahn (37) und (38) werden gleichgesetzt und nullgesetzt:

Nach dem umstellen der Gl. (39) nach x _2D ergibt sich die folgende Gleichung:

^X2D - ^" 2 ÄTf ₂ ⁽⁴⁰⁾

Werden die Gleichungen für x _2D und y _2D für die positive Halbellipsenbahn in die Gl. (29) für die dreidimensionale z-Koordinate und in die Gl. (33) für die dreidimensionale y-Koordinate eingesetzt, so ergibt sich die Gl. (41) und die Gl. (42): (M

Ö

'— \

+

£5

I

CM

00

+

+1

N

+

s?

I

+

I

Ί I CO

+1 Die zwei Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen, die durch die zwei Laufzeiten entstehen, können auch beide durch Ellipsoide ersetzt werden. Das Objekt befindet sich dabei irgendwo auf der Bahn, die durch die zwei sich schneidenden Ellipsoide entsteht. Entsprechend können auch für den Fall der Kreisbahn die Kreisbahnen oder Halbkreisbahnen, die durch die zwei Laufzeiten entstehen, beide durch Kugeln ersetzt werden. Das Objekt befindet sich dann irgendwo auf der Bahn, die durch die zwei sich schneidenden Kugeln entsteht.

Durch die dritte Laufzeit entsteht dann ein(e) dritte(s) Ellipsoid/Kugel, welche(s) sich mit der Bahn (die durch das Schneiden der beiden ersten Ellipsoide/Kugeln entsteht) schneidet. Es entstehen zwei Schnittpunkte oben im positiven und unten im negativen Bereich, die der dreidimensionalen Position des Objekts entsprechen. Dann kann z.B. durch die Richtwirkung des Senders und/oder der Empfänger einer der beiden Punkte als richtige Position des Objekts gewählt werden.

Es kann auch nur eine der beiden Ellipsenbahnen/Kreisbahnen oder

Halbellipsenbahnen/Halbkreisbahnen, die durch die zwei Laufzeiten entstehen, durch ein(e) Ellipsoid/Kugel ersetzt werden. Die Ellipsenbahn/Kreisbahn oder

Halbellipsenbahnen/Halbkreisbahn schneidet sich dann mit dem/der Ellipsoid/Kugel wodurch in der zweiten Ebene (in der die Ellipsenbahn/Kreisbahn oder Halbellipsenbahn liegt) zwei Schnittpunkte entstehen. Durch die Lage des Schnittpunktes (oder der Schnittpunkte, oben im positiven und unten im negativen Bereich bei Sender und Empfängern die 360° senden und erfassen können) in der zweiten Ebene (die durch die eine Ellipsenbahn/Kreisbahn oder

Halbellipsenbahn/Halbkreisbahn entsteht) und die Lage/Winkel/Kippung der zweiten Ebene (im Vergleich zu der ersten Ebene) im dreidimensionalen Raum, welche aus der dritten Laufzeit entsteht, kann somit auch die dreidimensionale Position des Objekts bestimmt werden.

Es kann auch durch die dritte Laufzeit ein(e) Ellipsoid/Kugel entstehen, welche(r) sich mit dem Schnittpunkt (oder Schnittpunkten, siehe oben) in der zweiten Ebene schneidet und dadurch die dreidimensionale Position bestimmt wird.

Fig. 16 zeigt beispielhaft die oben schon erwähnte Möglichkeit des Durchschaltens der Sendefunktionalität der verschiedenen Sensoren 100, 200, 300. Im dargestellten Fall 1 übernimmt der Sensor 200 die Sende- und Empfangsfunktionalität, wobei die Sensoren 100, 300 lediglich als Empfänger fungieren. Im Fall 2 übernimmt der Sensor 100 die Sende- und

Empfangsfunktionalität und die Sensoren 200, 300 fungieren ausschließlich als Empfänger. Im Fall 3 übernimmt der Sensor 300 die Sende- und Empfangsfunktionalität und die Sensoren 100, 200 fungieren ausschließlich als Empfänger. Es kann von Vorteil sein, wenn diese Funktionalität je nach Bedarf gesteuert werden kann, d.h. bei jeder neuen Messung könnte ein anderer Sensor 100, 200, 300 als Sender und gleichzeitig als Empfänger fungieren.

Fig. 17 zeigt schematisch ein beispielhaftes Signal, welches an einem der Empfänger gemessen wurde. Dabei kann ein Synchronisationspuls (Rechtecksignal am Anfang der Pulsfolge in Fig. 17) zur Synchronisation vorgeschaltet sein, um eine genaue Messung der Laufzeiten zu gewährleisten. Fig. 17 zeigt ein erstes Signal 1 (t _1;Pl ), welches der Direkteinstrahlung

(ausgestrahltes Signal vom Sender auf direkten Weg zum Empfänger), darstellt. Die darauf folgenden Pulse 2-5 sind die von unterschiedlichen Objekten 1-n reflektierten Signale.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch die Impulshöhe (Amplitude) und die gemessene Laufzeit (t _1>p2 , t _1>p3 , t _ljp4 , t _1;Pn ,) bestimmt werden, wie groß das Objekt ist. Je größer die Amplitude und je kleiner die Laufzeit, desto größer das Objekt.

Werden die Signale 2 und 5 miteinander verglichen, so erkennt man unter anderem, dass die zwei Signale im Wesentlichen die gleiche Amplitude haben, aber dass das Signal 5 eine deutlich längere Laufzeit (t _{l pn} > t _1;P2 ) aufweist. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass das n- te Objekt größer sein muss als das erste Objekt.

Durch die Breite des Signals kann die Ausdehnung des Objekts bestimmt werden. Je breiter (länger) das Signal, desto ausgedehnter das Objekt. Betrachtet man z.B. das Signal 3, so erkennt man, dass dieses deutlich breiter als die anderen Signale ist. Daraus kann

geschlussfolgert werden, dass das zweite Objekt eine größere Ausdehnung als die anderen Objekte besitzt. Das zweite Objekt könnte z.B. ein Rohr (kleine Reflexionsfläche, größere Ausdehnung) sein.

Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann unter anderem konfiguriert werden um die Signale, vorzugsweise die breiteren Signale, wie z.B. das Signal 3 durch mehrere kurze Impulse darzustellen (durch entsprechende Auswertealgorithmen und Hardware). Dies ermöglicht das Objekt als eine Punktewolke darzustellen, um somit besser die Objektgeometrie zu erfassen.

Ferner kann in der vorliegenden Erfindung, eine durch den Dopplereffekt bestimmte Geschwindigkeit, der einzelnen Objekte oder Punkte bestimmt werden. Die 3D-Position/Lage des Objekts oder mehrerer Objekte, die Beschaffenheit des Objekts oder der Objekte, die Geschwindigkeit des Objekts oder der Objekte und/oder der einzelnen Punkte (Punktewolke) kann dabei gleichzeitig (aus einer Messung) bestimmt werden.

Auch wenn der Algorithmus der bevorzugten Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung der Übersichtlichkeit halber und zum einfachen Verständnis anhand eines kleinen bis punktförmigen Objekts beschrieben wurde ist dem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Nachstehend werden dazu beispielhaft Verfahren zur Positionsbestimmung eines ausgedehnten Objekts beschrieben.

Die Welle trifft als Kugelwelle auf das ausgedehnte Objekt auf (elektromagnetische Wellen z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung; Druckwellen z.B. akustische Wellen, Stoßwellen; Gravitationswellen; Strahlung wie z.B.

Teilchenstrahlung und Wellenstrahlung; Plasmawellen; Materiewellen; Biegewellen; seismische Wellen; magnetische Wellen; elektrische Wellen). Eine Fläche wird somit zuerst in der Mitte und anschließend an den Rändern abgetastet.

Fig. 18 zeigt ferner beispielhaft zwei Flächen 51, 52 (ausgedehnte Objekte) die ein Signal, welches aus der Sensoreinheit 100 (Sender und Empfänger) ausgestrahlt wird, reflektieren. In Fig. 18 sind der Übersichtlichkeit halber nur die reflektierten Signale gezeigt.

Die Fläche 51 befindet sich links von der Sensoreinheit 100 und reflektiert deshalb das Signal auf der rechten Seite (durchgezogene Linie) zuerst. Zum Schluss reflektiert die linke Seite (gestrichelte Linie) der Fläche 51 das Signal zurück zum Sensor 100.

Die Fläche 52 befindet sich in diesem Beispiel unterhalb der Sensoreinheit 100, leicht nach links versetzt und reflektiert das erste Signal (durchgezogene Linie) aus der Fläche 52 heraus. Das reflektierte Signal der rechten Seite der Fläche 52 kommt etwas später am Sensor 100 an, braucht also eine längere Zeit (gepunktete Linie). Zum Schluss reflektiert die linke Seite (gestrichelte Linie) der Fläche 52 das Signal zurück zum Sensor 100. Die Flächen 51, 52 reflektieren das Signal auf der gesamten Oberfläche. Es wurden aber zur besseren Übersicht in Fig. 18 nur einzelne reflektierte Signale dargestellt.

Fig. 19 zeigt den zeitlichen Verlauf des empfangenen, an den Flächen 51, 52 reflektierten Signals (an einem der Empfänger, z.B. Sensor 100 aus Fig. 18). Im Vergleich mit der Fig. 17 erkennt man, dass die reflektierten Signale von den einzelnen Flächen 51, 52, im Vergleich zu den reflektierten Signalen (Signale 1 bis 5 aus Fig. 17) an den einzelnen Punktobjekten, eine zeitliche Ausdehnung t _pn aufweisen. Durch die Impulshöhe (Amplitude) und/oder die Fläche unterhalb des Signalverlaufs (Integriert über den Signalverlauf), die gemessene Laufzeit t _n und/oder Impulsdauer t _pn können die Größe und/oder der Reflexionsgrad einer

Oberfläche/Objekts bestimmt werden. Mit anderen Worten, die einzelnen an der Oberfläche reflektierten Signale überlagern sich und es entsteht ein ausgedehntes Signal.

Betrachtet man die in Fig. 20 gezeigten Signalverläufe von drei Empfängern (die durchgezogene Linie entspricht dabei dem Signal in einem ersten Empfänger, die gestrichelte Linie dem Signal in einem zweiten Empfänger, und die feinere gestrichelte Linie entspricht dem Signal in einem dritten Empfänger), so erkennt man die einzelnen, zeitversetzten reflektierten Signale.

Bei dem Signalverlauf zu der Reflexion an der ersten Fläche 51 erkennt man, dass die reflektierten Signale, auf Grund der im Raum angeordneten Empfänger, zeitversetzt eintreffen. Bei dem Signalverlauf zu der Reflexion an der zweiten Fläche 52 erkennt man, dass die reflektierten Signale zeitgleich auf die einzelnen Empfänger auftreffen, da das Signal zuerst genau unterhalb des Senders reflektiert wird und die Empfänger, in diesem Beispiel, die gleiche Entfernung zu dem Sender aufweisen. Am Ende des Signalverlaufs an der zweiten Fläche 52 hören die Signale zeitversetz auf, da die Fläche 52 sich nicht genau unterhalb der Sensoreinheit 100 befindet sondern leicht nach links verschoben ist.

Wird die Position aus der Laufzeit t _n bestimmt, so erhält man die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuerst reflektiert worden ist. Wird die Position aus der Zeit bis zum Ende des Signals gemessen (Laufzeit t _n + Impulsdauer t _pn ), so erhält man die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuletzt reflektiert worden ist. Aus diesen beiden Positionswerten erhält man für Flächen 51, 52, die sich nicht unterhalb des Senders 100 befinden, die Anfangsposition und die Endposition der Fläche 51, 52 und somit die Lage und die Ausdehnung eines ausgedehnten Objekts im Raum.

Befindet sich die Fläche 51, 52 unterhalb des Senders, so kann wie oben beschrieben die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuerst reflektiert worden ist und die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuletzt reflektiert worden ist bestimmt werden. Um aber den Anfangs- und Endpunkt der Fläche 51, 52 bestimmen zu können sollte z.B. entweder die Messung nochmal mit einem Sender der nicht oberhalb der Fläche 51, 52 liegt durchgeführt werden (wobei der Sender einen Abstand von mehr als einer Wellenlänge zu der Position des anderen (ersten) Senders haben muss) oder z.B. das Verfahren bei dem alle drei Sensoren mit verschiedenen Schlüsseln (verschiedene Frequenzen oder verschlüsseltes Signal) senden und dann auf empfangen gestellt angewendet werden (dabei sollte der Abstand zwischen zwei Sensoren größer als die Ausdehnung der Fläche 51, 52 sein, damit es gewähreistet werden kann, dass einer der Sensoren sich zu keiner Zeit über der Fläche 51, 52 befindet.)

Aus Fig. 20 ist auch ersichtlich, dass die einzelnen Reflexionssignale den einzelnen Flächen 51, 52 zuordenbar sind. Die Zuordnung der zu einem Objekt gehörenden

Reflexionssignale kann z.B. über:

die zeitliche Nähe zueinander (den Zeitversatz zwischen den einzelnen

Reflexionssignalen, der durch die räumliche Verteilung der Sensoren entsteht) die ähnlichen Signalverläufe (jedes reflektierte Signal hat ein, durch das Objekt, spezifischen Signalverlauf mit dem die mindestens drei am gleichen Objekt reflektierten Signale zueinander zugeordnet werden können)

die ähnlichen Amplituden (Jedes Objekt hat auf Grund seiner Größe, Geometrie und

Reflexionsgrad eine andere Amplitude aus der die einzelnen von dem Objekt reflektierten Signale zueinander zugeordnet werden können)

die Reflexionsdauer (die Reflexionsdauer ist von der Ausdehnung des Objekts abhängig und aus diesem Grund den einzelnen verschieden großen Objekten zuordenbar; die Reflexionsdauer kann insbesondere bei Flächen die eine größere

Ausdehnung als eine Wellenlänge aufweisen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden)

Werden diese Kriterien auf die empfangenen Signale angewendet, so können diese den einzelnen Objekten (Flächen 51, 52) zugeordnet werden.

Die empfangenen Signale dürfen sich dabei aber nicht überlagern. Das bedeutet, dass die einzelnen Flächen 51, 52 einen Mindestabstand von mehr als einer Wellenlänge voneinander haben sollten um als zwei Einzelflächen 51, 52 erkannt zu werden (sollten die Flächen 51, 52 einen Abstand von einer Wellenlänge oder kleiner zueinander haben, so werden diese als eine zusammenhängende Fläche 51, 52 erkannt).

Einen Sonderfall bilden zwei Objekte/Flächen 53, 54 die den gleichen Abstand (± eine Wellenlänge) zum Sensor 100 aufweisen aber in verschieden Richtungen versetzt sind (siehe Fig. 21).

In diesem Fall würden die reflektierten Signale sich überlagern und nicht den einzelnen Flächen zugeordnet werden können. Dies kann wie oben bereits erwähnt z.B. entweder durch eine wiederholte Messung mit einem Sender der nicht genau zwischen den Flächen 53, 54 liegt durchgeführt werden (wobei der Sender einen Abstand von mehr als einer Wellenlänge zu der Position des anderen (ersten) Sender haben muss) oder z.B. das Verfahren bei dem alle drei Sensoren mit verschiedenen Schlüsseln (verschiedene Frequenzen oder verschlüsseltes Signal) senden und dann auf empfangen gestellt angewendet werden (Die einzelnen Sensoren sollten dabei einen Abstand von mehr als einer Wellenlänge zu einander aufweisen).

Dies gilt analog auch für einzelne Objekte/Punkte (punktförmige Objekte). Diese sollten vorzugsweise auch einen Mindestabstand von mehr als einer Wellenlänge von einander aufweisen um eindeutig als zwei Objekte/Punkte (punktförmige Objekte) erkannt zu werden.

Fig. 22 zeigt eine schematische Darstellung einer rauen Oberfläche. Die Rauigkeit besteht aus Spitzen (Punkten) und Flächen. Die Position der einzelnen Spitzen und Flächen kann, wie oben beschrieben, bestimmt werden und dadurch die Beschaffenheit und insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit (3D-Scan der Oberfläche / Punktewolke der Oberfläche) eines Objekts bestimmt werden. Die Wellenlänge bestimmt auch hier die Auflösungsgrenze der Rauigkeit der zu untersuchenden Oberfläche.

Die oben beschriebenen Verfahren können z.B. auch im Vakuum, in Gasen (z.B. Luft), in Flüssigkeiten (z.B. Wasser), in Festkörpern (z.B. Eisen unter Standardbedingungen) oder auch in Plasma Umgebungen eingesetzt werden.

Während die vorliegende Erfindung hier unter Bezug auf ihre bevorzugten

Ausfuhrungsformen beschrieben und dargestellt wurde, ist für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Auf diese Weise ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung abdeckt, sofern sie in den Schutzbereich der beigefugten Patentansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Ferner sind Merkmale, die in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben wurden, nicht ausschließlich in Verbindung mit anderen Merkmalen dieser Ausführungsform zu verstehen. Es ist vielmehr klar, dass eine Kombination von Merkmalen aus verschiedenen Ausführungsformen ebenfalls möglich ist. Auch ein in Verbindung mit einem anderen Merkmal beschriebenes Merkmal kann in einer möglichen Ausfuhrungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ohne das andere Merkmal vorhanden sein.