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Title:
IMAGE-GENERATING DEVICE FOR MEASURING CHANGES IN THE DENSITY OF THREE-DIMENSIONAL DIELECTRIC OBJECTS IN A SPATIALLY RESOLVING MANNER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/186947
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an image-generating device for measuring changes in the density of three-dimensional dielectric objects, such as plastics, foods, organisms, etc., in a spatially resolving manner, comprising a transmission/receiving array (11) that is equipped with at least one transmission module (12), which is receptive in the microwave range and/or millimeter-wave range, and a plurality of receiving modules (13, 14, 15), which are receptive in the microwave and/or millimeter-wave range, in a fixed position relative to one another. Furthermore, an actuation device (16) is provided which can individually address the at least one transmission module (12) and the plurality of receiving modules (13, 14, 15). The transmission module (12) is actuated by the actuation device (16) in order to emit a short-duration pulse with a high spectral content, wherein the short-duration pulse with a high spectral content penetrates the dielectric body and is reflected or interrupted in the interior of the body at locations of different densities. The receiving modules (13, 14, 15) are designed to detect the reflected and/or interrupted signals and detect the phase, value, and/or specific frequency components of the reflected signal as received data at the respective location assigned to the receiving module (13, 14, 15) relative to the transmission module (12). A computing unit (17) is provided which generates an image of the three-dimensional dielectric object to be measured from the obtained received data of the plurality of received modules (13, 14, 15).

Inventors:
RESCH, Johann (Föhrenstraße 19, Strasslach, 82064, DE)
ZÄHRINGER, Michael (Am Eschengrund 4, Schechen, 83135, DE)
Application Number:
EP2017/060271
Publication Date:
November 02, 2017
Filing Date:
April 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
RESCH, Claudia (Föhrenstrasse 19, Straßlach-Dingharting, 82064, DE)
International Classes:
G01N22/00
Domestic Patent References:
WO2015022475A12015-02-19
Foreign References:
US7684846B22010-03-23
US6480141B12002-11-12
DE102009007255A12009-12-03
US20130027060A12013-01-31
US20060214835A12006-09-28
US6218979B12001-04-17
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
ZECH, LL.M., Dr. Stefan M. (P.O. Box 860624, Widenmayerstraße 47, München, 81633, DE)
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Claims:
Ansprüche

Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von

Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten, wie Kunststoffen, Lebensmitteln, Organismen, etc.,

umfassend ein Sende-/Empfangsarray (11), auf dem mindestens ein Sendemodul (12), das im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich sowie eine Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15), die im

Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich empfangen, in einer festen relativen Positionierung zueinander angeordnet sind,

wobei weiterhin eine Ansteuerungsvorrichtung (16) vorgesehen ist, die das mindestens eine Sendemodul (12) und die Mehrzahl von

Empfangsmodulen (13, 14, 15) einzeln adressieren kann,

wobei das Sendemodul (12) durch die Ansteuerungsvorrichtung (16) zur Aussendung eines Kurzzeitpulses mit hohem spektralen Anteil angesteuert wird, wobei der Kurzzeitpuls mit hohem spektralen Anteil in den dielektrischen Körper eindringt und in dessen Inneren an Orten

unterschiedlicher Dichte reflektiert bzw. gebrochen wird,

wobei die Empfangsmodule (13, 14, 15) zur Erfassung der reflektierten und/oder gebrochenen Signale ausgebildet sind und Phase, Betrag und/oder spezifische Frequenzanteile des reflektierten Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul (13, 14, 15) zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul (12) als Empfangsdaten detektieren

und wobei eine Rechnereinheit (17) vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Empfangsdaten der Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) ein Bild des zu vermessenden 3-dimensionalen dielektrischen Objekts errechnet.

Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

auf dem Sende-/Empfangsarray (11) eine Mehrzahl von Sendemodulen

(12, 18, 19) in fester Positionierung zueinander vorgesehen sind, die von der Ansteuerungsvorrichtung (16) jeweils einzeln angesteuert werden können.

3. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

die Ansteuerungsvorrichtung (16) mit dem einen oder mehreren

Sendemodulen (12, 18, 19) und den Empfangsmodulen (13, 14, 15) über BUS-Technologie kommunizieren.

4. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

aus der Mehrzahl von Sendemodulen (12, 18, 19) und Empfangsmodulen (13, 14, 15) eine aktuelle Konfiguration aktiver Sende- und

Empfangsmodule durch die Ansteuerungsvorrichtung (16) frei wählbar und vorzugsweise auch in zeitlicher Abfolge mehrere unterschiedliche Konfigurationen auswählbar sind.

5. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, die mit der Ansteuerungsvorrichtung (16) und dem mindestens einen Sendemodul (12, 18, 19) und der Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) in Wirkverbindung steht.

6. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

Lageinformationen mit Methoden der Trigonometrie aus Signallaufzeiten errechnet werden.

7. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

auf dem Sende-/Empfangsarray (11) jeweils ein Sendemodul (12) und mindestens ein Empfangsmodul (13) zu einer gemeinsamen Sende- /Empfangs-Baueinheit (21) zusammengefasst sind.

8. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

die gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheiten (21) jeweils über eine eigene Sendeelektronik (22) und/oder eine eigene Empfangselektronik (23) verfügen.

9. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

die das Sende-/Empfangsarray (11) ausbildenden Sende-/Empfangs- Baueinheiten (21) in reihenförmiger Anordnung dicht aneinander liegen und mindestens in einer Erstreckung eine Reihe, weiter bevorzugt drei Reihen, noch weiter bevorzugt fünf Reihen, noch weiter bevorzugt 7 Reihen, vorzugsweise mindestens 10 Reihen benachbart nebeneinander angeordnet sind und weiter vorzugsweise mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens sieben, weiter bevorzugt mindestens 80 Sende-/Empfangs-Baueinheiten (21) vorliegen.

10. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

der Kurzzeitpuls nicht länger als 1 ns, vorzugsweise nicht länger als 100 ps, weiter vorzugsweise nicht länger als 20 ps, ist und ein

Empfangszeitfenster vorgebbar ist, innerhalb dessen die Empfangsmodule (13, 14, 15) Strahlung detektieren.

11. Verfahren zur ortsauflösenden Vermessung von Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten, wie Kunststoffen,

Lebensmitteln, Organismen, etc.,

wobei durch das Verfahren ein Bild des zu vermessenden Objekts erzeugt wird, unter Verwendung eines Sende-/Empfangsarrays (11), auf dem mindestens ein Sendemodul (12), das im Mikrowellen- und/oder

Millimeterwellenbereich arbeitet, sowie eine Mehrzahl von

Empfangsmodulen (13, 14, 15), die im Mikrowellen- und/oder

Millimeterwellenbereich empfangen, in einer festen relativen Positionierung zueinander angeordnet sind,

umfassend die folgenden Schritte:

- Veranlassen des Sendemoduls (12) zur Aussendung eines

Kurzzeitpulses mit hohem spektralen Anteil,

- Empfangen von Signalanteilen, die im Inneren des Objekts gebrochen oder reflektiert wurden, in einem einstellbaren Empfangszeitfenster als Empfangsdaten an den mehreren in fester relativer Positionierung zueinander angeordneten Empfangsmodulen (13, 14, 15), und

- Errechnen eines Bildes aus den gewonnenen Empfangsdaten.

12. Verfahren nach Anspruch 11,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

die Empfangsmodule (13, 14, 15) Phase, Betrag und/oder spezifische

Frequenzanteile des reflektierten oder gebrochenen Signals detektieren.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

eine Mehrzahl von Sendemodulen (12, 18, 19), die in einer festen relativen Positionierung zueinander auf dem Sende-/Empfangsarray (11) angeordnet sind, Verwendung finden und dass die Schritte

- Veranlassen des Sendemoduls (12, 18, 19) zur Aussendung eines Kurzzeitpulses mit hohem spektralem Anteil und

- Empfangen von Signalanteilen, die im Inneren des Objekts gebrochen bzw. reflektiert werden, in einem einstellbaren Empfangszeit-Fenster als Empfangsdaten an den mehreren Empfangsmodulen (13, 14, 15) mehrfach mit unterschiedlich ausgewählter Konfiguration jeweils aktueller Sende- und Empfangsmodule durchgeführt werden und

- das aus sämtlichen gewonnenen Empfangsdaten das Bild des Objekts errechnet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

die Ansteuerungsvorrichtung (16), das mindestens eine Sendemodul (12, 18, 19) und die Empfangsmodule (13, 14, 15) über eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung (20) gemeinsam synchronisiert werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,

d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass

das mindestens eine Sendemodul (12, 18, 19) und die Empfangsmodule (13, 14, 15) mit der Ansteuerungsvorrichtung (16) über BUS-Technolog miteinander kommunizieren.

Description:
Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten, wie Kunststoffen, Lebensmitteln, Organismen, etc. nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 11.

Dabei umfasst die Bilderzeugungsvorrichtung ein Sende-/Empfangsarray, auf dem mindestens ein Sendemodul, das im Mikrowellen- und/oder

Millimeterwellenbereich, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 1 bis 300 GHz, arbeitet, sowie eine Mehrzahl von Empfangsmodulen, die im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 1 bis 300 GHz, empfangen, in einer festen relativen Positionierung zueinander angeordnet sind. Das angesprochene Verfahren verwendet ein derartiges Sende- /Empfangsarray.

Bislang war es schwierig, eine ortsauflösende Vermessung von Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten durchzuführen, wenn dies zerstörungsfrei unter Einsatz elektromagnetischer Strahlung erfolgen sollte.

Zwar ist es bekannt, dass Röntgenstrahlen dielektrische Objekte durchdringen können. Röntgenstrahlen werden auch in der Untersuchung von Objekten wie Kunststoffen, Lebensmitteln, Organismen, etc. eingesetzt; allerdings wird dabei vornehmlich in Transmission gemessen, so dass letztendlich Schattenbilder erzeugt werden. Röntgenstrahlung ist darüber hinaus in höherer Intensität für den Menschen schädlich, so dass beim Umgang mit Röntgenstrahlen erhebliche Einschränkungen bestehen und zu Recht bestehende Sicherheitsvorschriften eingehalten werden müssen. Die vorliegende Erfindung setzt sich demgegenüber die Aufgabe, eine Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die bzw. das ohne die zuvor beschriebenen Nachteile bei einer Vermessung mit Röntgenstrahlung auskommt.

Diese Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch eine Bilderzeugungsvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Eine Kernüberlegung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass weiterhin eine Ansteuerungsvorrichtung vorgesehen ist, die das mindestens eine Sendemodul und die Mehrzahl von Empfangsmodulen einzeln adressieren kann, wobei das Sendemodul durch die Ansteuerungsvorrichtung zur Aussendung eines

Kurzzeitpulses mit hohem spektralen Anteil angesteuert wird, wobei der

Kurzzeitpuls mit hohem spektralen Anteil in den dielektrischen Körper eindringt und in dessen Inneren an Orten unterschiedlicher Dichte reflektiert bzw.

gebrochen wird, wobei die Empfangsmodule zur Erfassung der reflektierten und/oder gebrochenen Signale ausgebildet sind und Phase, Betrag und/oder spezifische Frequenzanteile des reflektierten Signals jeweils an dem dem

Empfangsmodul zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul als Empfangsdaten detektieren und wobei eine Rechnereinheit vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Empfangsdaten der Mehrzahl von Empfangsmodulen ein Bild des zu vermessenden 3-dimensionalen dielektrischen Objekts errechnet.

In verfahrenstechnischer Hinsicht sind die folgenden Schritte vorgesehen:

Veranlassen des Sendemoduls zur Aussendung eines Kurzzeitpulses mit hohem spektralen Anteil,

(Gleichzeitiges) Empfangen von Signalanteilen, die im Inneren des Objekts gebrochen oder reflektiert wurden, in einem einstellbaren Empfangszeitfenster als Empfangsdaten an den mehreren in fester relativer Positionierung zueinander angeordneten Empfangsmodulen, und

Errechnen eines Bildes aus den gewonnenen Empfangsdaten.

Mit der vorgeschlagenen Bilderzeugungsvorrichtung bzw. dem vorgeschlagenen Verfahren wird einerseits ein Kurzzeitpuls mit hohem spektralen Anteil

ausgesandt, der in den dielektrischen Körper eindringt und in dessen Innerem an Orten unterschiedlicher Dichte reflektiert bzw. gebrochen wird. Die Information über den Ort kann dadurch ermittelt werden, dass die gebrochenen bzw.

reflektierten Signale hinsichtlich Phase, Betrag und Signallaufzeit ausgewertet werden. Aus diesen gewonnenen Empfangsdaten lässt sich dann ein Bild des zu vermessenden 3-dimensionalen Objekts errechnen.

Aus dem Stand der Technik sind zwar bereits sog. Körperscanner bekannt, die in der Lage sind, zeilenweise z. B. einen menschlichen Körper abzuscannen, um danach aus den Radarechos ein Bild von unter der Kleidung befindlichen

Gegenständen anzufertigen; auch in der Materialprüfung werden ΤΉΖ- Nahfeldscanner eingesetzt. Jedoch ermöglicht erst die heute zur Verfügung stehende Halbleitertechnik, die klassische Radartechnologie zu verlassen, um mit breitbandigen Spektren im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich, vorzugsweise im Bereich 1 bis 300 GHz, und deren komplexer spektraler

Auswertung tiefer in dielektrische Körper wie z. B. Kunststoffschäume,

Kunststoffe, Lebensmittel oder Organismen hineinzumessen.

Dabei wird mit vergleichsweise schwachen und daher unbedenklichen, sehr kurzen Pulsen (Kurzzeitpulsen) gearbeitet, deren Energie über einen großen spektralen Bereich verteilt ist, so dass spezifische Echos und Brechungen auftreten. Je nach Beschaffenheit der örtlichen Änderung der Dichte in den dielektrischen Körpern entsteht ein spezifisches Spektrum, was die gebrochenen bzw. reflektierten Signale anbelangt. Das Sende-/Empfangsarray mit mindestens einem Sendemodul und einer Mehrzahl von Empfangsmodulen ist mit einem Facettenauge insoweit vergleichbar, als an unterschiedlichen festen

Relativpositionen zueinander Empfangsdaten empfangen und ausgewertet werden können. In einer bevorzugten Weiterbildung ist auf dem Sende-/Empfangsarray eine Mehrzahl von Sendemodulen in fester Positionierung zueinander vorgesehen, die von der Ansteuervorrichtung jeweils einzeln angesteuert werden können. Insofern kann nicht nur an unterschiedlichen Positionen ein reflektiertes bzw. gebrochenes Signal empfangen, sondern Kurzzeitpulse können auch von unterschiedlichen Positionen auf das zu vermessende Objekt hin abgesandt werden. Hierdurch kann die Qualität der ortsauflösenden Vermessung noch erhöht werden, insbesondere wenn Kurzzeitpulse von unterschiedlichen Sendepositionen aus abgesandt werden.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ansteuervorrichtung mit dem einen oder mehreren Sendemodulen und den Empfangsmodulen über BUS-Technologie kommunizieren. Der Aufwand, auch eine Vielzahl von Sende- und/oder Empfangsmodulen an eine Ansteuervorrichtung anzuschließen, diese jeweils anzusteuern oder auch gewonnene Empfangsdaten auszulesen, kann durch den Einsatz von BUS-Technologie mit geeigneten

Übertragungsprotokollen erheblich vereinfacht werden.

In einer möglichen, bevorzugten Ausgestaltung ist eine aktuelle Konfiguration aktiver Sende- und Empfangsmodule durch die Ansteuerungsvorrichtung aus der Mehrzahl von Sendemodulen und der Mehrzahl von Empfangsmodulen frei wählbar. Vorzugsweise sind auch in zeitlicher Abfolge zueinander mehrere unterschiedliche Konfigurationen auswählbar.

Dadurch, dass die aktuelle Konfiguration aktiver Sende- und Empfangsmodule frei wählbar ist bzw. auch unterschiedliche Konfigurationen in zeitlicher Abfolge variiert werden kann, lässt sich ein noch differenzierteres Bild des zu

untersuchenden 3-dimensionalen dielektrischen Objekts erstellen.

Eine exakte zeitliche Abstimmung zwischen den verschiedenen Sende- und Empfangsvorgängen ist notwendig, da gerade Signallaufzeiten Informationen über den geometrischen Ort einer Dichteveränderung erlauben. Bevorzugtermaßen ist daher eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung vorgesehen, die mit der Ansteuerungsvorrichtung und dem mindestens einen Sendemodul und der

Mehrzahl von Empfangsmodulen in Wirkverbindung steht.

Lageinformationen über Dichteveränderungen im 3-dimensionalen dielektrischen Objekt können vorzugsweise mit Methoden der Trigonometrie aus Signallaufzeiten gebrochener oder reflektierter Signale errechnet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Ermittlung von Lageinformationen, die dann zur Errechnung des 3- dimensionalen Bildes herangezogen werden können.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind auf dem Sende-/Empfangs- array jeweils ein Sendemodul und ein Empfangsmodul zu einer gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheit zusammengefasst. In einer nochmals bevorzugten Weiterbildung verfügen die gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheiten jeweils über eine eigene Sendeelektronik und/oder eine eigene Empfangselektronik.

Hierdurch sind autarke Untereinheiten gebildet. Die Leistungselektronik ist damit an Ort und Stelle vorgesehen. Lediglich Ansteuerung und Kommunikation von Empfangsdaten sind dann zwischen Ansteuerungsvorrichtung und Sende-/Em- pfangsbaueinheit abzuwickeln. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sende-/Empfangsbaueinheit einen Chip, auf dem zumindest Teile der vorgenannten Elektronikeinheiten implementiert sein können.

Das Sende-/Empfangsarray umfasst bevorzugtermaßen eine Mehrzahl von Sende-/ Empfangsbaueinheiten in reihenförmiger Anordnung dicht aneinanderliegend, wobei bevorzugtermaßen wenigstens in einer Erstreckung eine Reihe, weiter bevorzugt drei Reihen, noch weiter bevorzugt fünf Reihen, noch weiter bevorzugt sieben Reihen, vorzugsweise mindestens zehn Reihen benachbart nebeneinander angeordnet sind und weiter vorzugsweise mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens sieben, weiter bevorzugt

mindestens 80 Sende-/Empfangs-Baueinheiten insgesamt vorliegen. Vom geometrischen Aufbau her ist das Sende-/Empfangsarray einem Facettenauge insofern nachempfunden, als eine Vielzahl von Sendemodulen und

Empfangsmodulen dicht aneinanderliegend nebeneinander angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die aus den Sendemodulen abgesandten Kurzzeitpulse nicht länger als 1 ns (Nanosekunde), vorzugsweise nicht länger als 100 ps (Picosekunden), weiter vorzugsweise nicht länger als 20 ps

(Picosekunden). Dadurch wird die Auflösung der Messung verbessert.

Weiter vorzugsweise kann ein Empfangszeitfenster vorgegeben werden, innerhalb dessen die Empfangsmodule Strahlung detektieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem bevorzugten Aspekt vorsehen, dass die Empfangsmodule spezifische Frequenzanteile des reflektierten oder gebrochenen Signals

detektieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Sendemodulen, die in einer festen relativen Positionierung zueinander auf dem Sende-/Empfangsarray angeordnet sind, Verwendung finden und dass die Schritte

- Veranlassen des Sendemoduls zur Aussendung eines Kurzzeitpulses mit hohem spektralen Anteil und

- (Gleichzeitiges) Empfangen von Signalanteilen, die im Inneren des Objekts gebrochen bzw. reflektiert werden, in einem einstellbaren Empfangszeit- Fenster als Empfangsdaten an den mehreren Empfangsmodulen mehrfach mit unterschiedlich ausgewählter Konfiguration jeweils aktueller Sende- und Empfangsmodule durchgeführt werden und

- dass aus sämtlichen gewonnenen Empfangsdaten das Bild des Objekts errechnet wird.

Durch die Variation aktueller Konfigurationen von Sende- und Empfangsmodulen wird die räumliche Auflösung entscheidend gesteigert, gerade dann, wenn von einem 3-dimensionalen Dichteprofil innerhalb des 3-dimensionalen dielektrischen Objekts ausgegangen wird, das sich über die Zeit nicht oder nicht wesentlich verändert. Bevorzugtermaßen detektieren die Empfangsmodule hierbei spezifische Frequenzanteile des reflektierten oder gebrochenen Signals. Dadurch lassen sich die gewünschten Bildinformationen präziser berechnen. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die

Ansteuerungsvorrichtung, das mindestens eine Sendemodul und die

Empfangsmodule über eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung gemeinsam synchronisiert. Da Signallaufzeiten für die Ortsauflösu ng nach dem vorliegenden Verfahren von entscheidender Bedeutung sind, ist eine gemeinsame Zeitreferenz von entscheidender Bedeutung. Bevorzugtermaßen geschieht dies über eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung, die eine gemeinsame Synchronisierung von Ansteuerungsvorrichtung, Sendemodul und Empfangsmodulen vornimmt.

Um die anfallenden Datenvolumina, insbesondere Steuersignale und

Empfangssignale bzw. Empfangsdaten, zwischen Ansteuerungsvorrichtung und Sendemodulen bzw. Empfangsmodulen kommunizieren zu können, wird bevorzugtermaßen für diese Kommunikation BUS-Technologie eingesetzt.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung in Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen :

Fig. la eine schematische Darstellung einer Messanordnung für das

Röntgenverfahren nach dem Stand der Technik;

Fig. lb eine schematische Darstellung einer Messanordnung für das

Verfahren nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a eine schematische Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig . 2b eine schematische Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3a eine perspektivische Ansicht einer Sende-/Empfangsbaueinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 3b einen Schnitt der Sende-/Empfangsbaueinheit gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild der Messanordnung gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 Einen Schnitt eines Sensors mit dem Sende-/Empfangsarray gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Konfiguration aktiver Sende- und Empfangsmodule des Sende-/Empfangsarrays.

Fig. la zeigt die prinzipielle Anordnung einer Röntgenmessung, die

herkömmlicherweise zur ortsaufgelösten Messung der inneren Dichte eines Körpers eingesetzt wird. Von einer Röntgenquelle 101 emittierte

Röntgenstrahlung wird nach Transmission durch ein Messobjekt 102 auf einer Fotoplatte oder einem Sensor 103 detektiert. Dichteänderungen schlagen sich in einer veränderten Transmission nieder.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. lb schematisch die Messanordnung für das

Verfahren im Mikrowellenbereich, das in der vorliegenden Erfindung Anwendung findet. Die Messung erfolgt hier in Reflexion, das heißt, Sender und Empfänger befinden sich auf derselben Seite des Messobjekts.

Fig. 2a zeigt eine Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Sende-/Empfangsarray 11 weist eine flächige Anordnung einer Vielzahl von Sendemodulen 12, 18, 19 und

Empfangsmodulen 13, 14, 15 auf. Die Sende- und Empfangsmodule sind jeweils paarweise auf drei hexagonalen Baueinheiten vorgesehen, die feste

Positionierungen zueinander aufweisen. In jedem Hexagon auf dem Sende- /Empfangsarray 11 sind ein Sendemodul 12 und ein Empfangsmodul angeordnet. Jedes Hexagon bildet somit eine Sende-/Empfangsbaueinheit 21. Fig. 2b zeigt eine Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind insgesamt sieben Sende- /Empfangsbaueinheiten 21 vorgesehen, die auf einem hexagonalen Raster ähnlich einem Facettenauge angeordnet sind und wiederum feste Positionierungen aller Elemente zueinander aufweisen.

Fig. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht einer solchen Sende- /Empfangsbaueinheit 21. Das Sendemodul 12 und das Empfangsmodul 13 weisen Antennenelemente auf, die als Rundhohlleiter 27 in Form von metallischen Röhrchen gebildet sind. Die Rundhohlleiter 27 sind auf einem Basis-Modul 25 befestigt, das durch eine hexagonale Platine gebildet ist. In Fig. 3b ist ein Schnitt der Sende-/Empfangsbaueinheit 21 gezeigt. Die Abschlussflächen auf dem Basis- Modul 25 sind metallisch beschichtet, so dass die Rundhohlleiter 27 zusammen mit dem Basis-Modul 25 einen einseitig geschlossenen Hohlleiter bilden. Beide Rundhohlleiter 27 besitzen in ihrem Inneren einen (nicht gezeigten) Mikrowellenbzw. Millimeterwellenstrahler, der die entsprechende Strahlung emittiert bzw. absorbiert. Die Rundhohlleiter 27 bewirken eine Richtwirkung der Sende- und Empfangsmodule senkrecht zur Arrayebene. Außerdem werden durch die

Rundhohlleiter 27 benachbarte Sende- und Empfangselemente gegeneinander abgeschirmt. Die maximal mögliche Sendeleistung ist durch Überkopplungen zwischen benachbarten Sende- und Empfangsmodulen begrenzt, weswegen diese Überkopplungen so weit wie möglich begrenzt werden müssen. Aufgrund der Abschirmungswirkung der Rundhohlleiter 27 können die Abstände zwischen Sende- und Empfangsmodulen, und somit das Sende-/Empfangsarray 11, klein gehalten werden.

Auf der Platine des Basis-Moduls 25 ist die Sende- und Empfangselektronik 22, 23 für die Sende- und Empfangsmodule 12, 13 untergebracht. Diese umfasst neben Elektronik zur Aufbereitung der Betriebs- und Arbeitsfrequenzen auch die

Auswerteelektronik. Alle elektronischen Bauteile, die zum Betrieb der Sende- und Empfangsmodule 12, 13 benötigt werden, sowie Auswerteelektronik sind in der Sende-/Empfangsbaueinheit 21 integriert. So ist eine autarke und kompakte Einheit gebildet, die sich aufgrund der hexagonalen Struktur zu dem dichten und regelmäßigen Sende-/Empfangsarray 11 aus Fig . 2 anordnen lassen. Da jede Sende-/Empfangsbaueinheit 21 identisch aufgebaut ist, können sie in großer Stückzahl hergestellt werden. Auch der Austausch einzelner Sende- /Empfangsbaueinheiten 21 ist somit einfach möglich.

In Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild der Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Eine Vielzahl von Sende-/Empfangs- baueinheiten 21, die das Sende-/Empfangsarray 11 bilden, sind mit einer

Leiterplatte 28 verbunden, auf der Elektronik zur Generation von Mikrowellensignalen und Verstärkung sowie Auswertung der empfangenen Signale

untergebracht ist. Diese ist mit einer Steuerplatine 29 verbunden, auf der sich eine Ansteuerungsvorrichtung 16 und eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 befinden, deren Funktionsweise im Folgenden erklärt wird. Die Steuerplatine 29 ist mit einer Recheneinheit 17 verbunden, auf der eine weitere Verarbeitung der Signaldaten möglich ist.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt eines Sensors, der das Sende-/Empfangsarray 11 umfasst. Der Sensor hat eine kreisförmige Front mit einem sich verjüngenden Gehäuse, das in einen Schaft ausläuft. Eine Abdeckung 30 bedeckt die

Vorderseite des Sensors. Die Abdeckung 30 ist aus einem Kunststoff gefertigt, der für die verwendeten Mikrowellen transparent ist, beispielsweise aus 1,5 mm starkem TEFLON (oder Keramik oder noch einem anderen Material).

Unter der Abdeckung 30 befindet sich das Sende-/Empfangsarray 11. Im Schnitt sind die Rundhohlleiter 27 der Sende- und Empfangsmodule zu sehen, ebenso wie der zweilagige Aufbau der Sende-/Empfangsbaueinheiten 21.

Hinter dem Sende-/Empfangsarray 11 befindet sich die kreisscheibenförmige Leiterplatte 28, die mit dem Sende-/Empfangsarray 11 verbunden ist. Diese enthält Mikrowellen-Mischstufen, Verstärker und Phasendetektoren, die benötigt werden, um die Mikrowellensignale für die Sendemodule zu erzeugen und die empfangenen Signale zu verstärken und weiter auszuwerten.

Im Schaft des Sensors befindet sich die Steuerplatine 29, die mit der

kreisscheibenförmigen Leiterplatte 28 verbunden ist. Auf der Steuerplatine 29 befinden sich eine Stromversorgung für die gesamte Vorrichtung, die

Ansteuerungsvorrichtung 16, die Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20, sowie Signalverarbeitungselemente, die eine Vorverarbeitung der gewonnen Daten übernehmen, und ein Anschluss für den Sensor an die Rechnereinheit 17 (nicht gezeigt), auf der die vorverarbeiteten Daten weiter verarbeitet werden können. Die Verbindung wird über Ethernet hergestellt. Dazu benötigte Elektronik (nicht gezeigt) ist ebenfalls auf der Steuerplatine 29 angeordnet

Die Ansteuerungsvorrichtung 16 steuert den Bildgebungsprozess. Die

Ansteuerungsvorrichtung 16 kann jedes Sendemodul 12, 18, 19 und jedes Empfangsmodul 13, 14, 15 einzeln ansteuern. Die Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt über einen seriellen Datenbus. Im vorliegenden

Ausführungsbeispiel ist dies der PC-Datenbus (Inter-Integrated-Circuit-Bus). Als Master fungiert hierbei die Ansteuerungsvorrichtung 16, die die abgestimmte Steuerung der am Bildgebungsprozess beteiligten Komponenten steuert.

Die Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 ist mit der Ansteuerungsvorrichtung 16 und den einzelnen Modulen des Sende-/Empfangsarrays 11 verbunden. Die Ansteuerungsvorrichtung 16 und die Sende- und Empfangsmodule werden über die Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 getaktet und synchronisiert. Die Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 erzeugt dazu einen Systemtakt, um eine exakte Phasenmessung in Mikrowellenbändern und eine genaue Synchronisation aller Komponenten zu ermöglichen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 durch ein Quarz mit einer hohen

Frequenzstabilität gebildet.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur ortsaufgelösten Vermessung von

Änderungen der Dichte in 3-dimensionalen dielektrischen Objekten unter Verwendung der eben beschriebenen Bilderzeugungsvorrichtung beschrieben.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Messkonfiguration des Sende-/Empfangsarrays 11 zur Erfassung eines Bildes. In der gezeigten Konfiguration sind vier Sende- /Empfangseinheiten aktiviert. Die oberste Sende-/Empfangsbaueinheit 21a ist in dieser Konfiguration als Sendeeinheit gesetzt. Das zugehörige Sendemodul 12a wird von der Ansteuerungsvorrichtung 16 angesteuert, kurze Mikrowellenpulse auszusenden. Das zugehörige Empfangsmodul 13a ist ebenfalls aktiviert. Die übrigen drei aktiven Sende-/Empfangsbaueinheiten 21b sind als Empfänger gesetzt, hier sind also lediglich die Empfangsmodule aktiviert.

Das Sendemodul 12a sendet einen Mikrowellenpuls im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 300 GHz, mit einer Dauer im Pikosekundenbereich aus, der damit über eine entsprechend hohe spektrale Breite verfügt. Der Mikrowellenpuls dringt in einen zu untersuchenden dielektrischen Körper ein und wird an Grenzflächen zwischen Bereichen

unterschiedlicher Dichte gebrochen und reflektiert. Je nach Zusammensetzung und Beschaffenheit der örtlichen Änderung der Dichte in dem untersuchten Körper ändert sich außerdem die spektrale Zusammensetzung der

Mikrowellenpuls-Echos.

Die reflektierte Strahlung wird von den aktiven Empfangsmodulen detektiert. Die Detektion erfolgt nicht kontinuierlich, vielmehr werden die Empfangsmodule nur in einem definierten Zeitfenster aktiviert. Durch den festgelegten zeitlichen Abstand zwischen Aussendung des Mikrowellenpulses und des Detektion- Zeitfensters werden nur Signale mit einer bestimmten Laufzeit detektiert. Durch den von der Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 vorgegebenen Systemtakt ist eine hohe Genauigkeit dieser Laufzeitmessung sichergestellt.

Die Signallaufzeit wird in eine Signallaufstrecke umgerechnet. Da die gegenseitige Lage der Sende- und Empfangsmodule auf dem Sende-/Empfangsarray 11 bekannt sind, können so Ortsinformationen über die Dichteverteilungen in dem untersuchten Körper gewonnen werden. Die detektierte Strahlung wird

hinsichtlich Phase, Intensität bzw. Betrag und spektraler Anteile in den Sende- /Empfangsbaueinheiten 21 ausgewertet und an die Recheneinheit 17 übertragen. Hier wird dann aus allen übertragenen Informationen ein dreidimensionales Bild des vermessenen Körpers berechnet.

Es versteht sich, dass eine Messung nicht ausreichend sein mag, ein vollständiges 3-D Bild von komplexen Messobjekten zu errechnen. Es können daher mehrfache Messungen durchgeführt und gemeinsam ausgewertet werden. Die dabei jeweils verwendeten Konfigurationen des Sende-/Empfangsarrays 11 unterliegen keinen besonderen Beschränkungen und können der konkreten Situation entsprechend gewählt werden. Wie dargestellt, arbeiten alle Sende-/Empfangsbaueinheiten 21 synchronisiert und verfügen über eine eigene Intelligenz, um aus dem

empfangenen Signal ein Spektrum aus Phasen und Beträgen gegen das

Synchronisationssignal zu messen. Durch die Vorverarbeitung der Empfangsdaten in dem Sensor wird die abschließende Bildberechnung in der Recheneinheit vereinfacht. Bei der Bildberechnung werden stoffspezifische frequenzabhängige Parameter wie die Permittivität/dielektrische Funktion, Brechungsindex oder Absorption verwendet, um eine präzise ortsaufgelöste Dichteverteilung bestimmen zu können.

Bezugszeichenliste

11 Sende-/Empfangsarray

12, 18, 19 Sendemodul

13, 14, 15 Empfangsmodul

16 Ansteuerungsvorrichtung

17 Rechnereinheit

20 Synchronzeiterzeugungsvorrichtung

21 Sende-/Empfangsbaueinheit

22 Sendeelektronik

23 Empfangselektronik

25 Basis-Modul

26, 27 Rundhohlleiter 28 runde Leiterplatte

29 Steuerplatine

30 Abdeckung

101 Röntgenquelle

102 Messobjekt

103 Fotoplatte/Sensor