Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von verdeckten Gegenständen mittels elektromagnetischen mm-Wellen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von verdeckten Gegenständen mittels elektromagnetischen mm-Wellen, insbesondere von Gegenständen, die von Personen mitgeführt werden.

Zur Kontrolle von Personen wie Flugpassagieren auf verdächtige Gegenstände, beispielsweise Waffen oder Sprengstoff, sind Verfahren bekannt, bei denen die Personen mit mm-Wellen abgescannt werden. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind in der WO 2006/105997 A1 und der WO 2007/028472 A1 beschrieben.

Um von Personen am Körper mitgeführte Gegenstände zu detektieren sollen dicht am mm-Wellen-Scanner, im sogenannten Nahfeld, Tiefenprofile aufgenommen werden. Mit Hilfe dieser Tiefenprofile lassen sich die reflektierenden Signale von schwach reflektierenden Objekten nachweisen, die normalerweise von den Signalen stärker reflektierender Objekte in anderen Tiefenschichten verdeckt werden. Beispiele für schwach reflektierende Objekte, deren Signale von stark reflektierenden Objekten verdeckt werden, sind Sprengstoff-Folien, die geringe mm- Wellen-Reflektion aufweisen, auf menschlicher Haut, die mm-Wellen stark rpflpktiprt Fhfinsn werden die Signale von schwach reflektierenden Plastikminen, die sich unter der stark reflektierenden Erdoberfläche befinden, verdeckt. Üblicherweise erfolgt die Tiefenauflösung mittels mm-Wellen durch Aussendung und Auswertung von extrem kurzen Pulsen oder durch Frequenzmodulation wie beim FMCW-Radar. Eine mögliche Sonderform des FMCW-Radars ist das sogenannte Stepped-FMCW-Radar, bei dem diskrete Frequenzen benutzt werden, die mit Hilfe von Fourier- Transformation zu Pulsen im Zeitbereich zurückgerechnet werden. Alle diese Verfahren benötigen eine sehr große Bandbreite, falls eine Tiefenauflösung von einigen Zentimetern gefordert wird. So ist für eine Tiefenauflösung von 1 ,5 cm eine Bandbreite von 10 GHz notwendig. Bei Verwendung des Stepped-FMCW-Radars ist zur Vermeidung von Scheinzielen eine relativ kleine Schrittweite der Frequenzen erforderlich. So ist für einen Eindeutigkeitsbereich von 1 ,5 m eine maximale Schrittweite von 100 MHz erlaubt.

Diese Anforderungen sind technisch nur sehr schwierig zu und sehr aufwendig zu realisieren. Weiterhin ist es schwierig, von den Behörden Genehmigungen für die Benutzung von genügend großen Bandbreiten zu erhalten. Es wurde daher versucht, Modellverfahren zu benutzen, um bei geringer Bandbreite die benötigte Auflösung zu erhalten. Diese Verfahren sind sehr aufwendig und für Echtzeitsysteme nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von verdeckten Gegenständen mittels elektromagnetischer mm- Wellen zu schaffen, das technisch weniger aufwendig eine gute Tiefenauflösung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die mm- Wellen beim Bestrahlen eines Prüfobjekts auf verschiedene Tiefenschichten des Prüfobjekts fokussiert werden.

Die Fokussierung kann dabei physikalisch oder nachträglich rechnerisch erfolgen. Zur Durchführung des Verfahrens weist eine Vorrichtung eine Sendeantenne für elektromagnetische mm-Wellen, eine Empfangsantenne zum Empfangen vom Prüfobjekt reflektierter Wellen, ein Auswertesystem und ein fokussierendes Element auf, von dem die von der Sendeantenne ausgesandten Wellen auf verschiedene Tiefen bereiche des Prüfobjekts fokussiert werden. Der Einsatz einer kombinierten Sende- und Empfangsantenne ist ebenfalls möglich.

Eine weitere Vorrichtung weist eine oder mehrere Sendeantennen (1) für elektromagnetische mm-Wellen, eine oder mehrere Empfangsantennen zum Empfangen von vom Prüfobjekt reflektierten Wellen, wobei die

Phasen und / oder die Amplituden der Sende- und / oder

Empfangsantennen einstellbar sind, ein Auswertesystem und Mittel zur

Fokussierung der mm-Wellen auf eine Tiefenschicht mit Hilfe der einstellbaren Phasen und Amplituden auf.

Eine weitere Vorrichtung ist so gestaltet, dass eine nachträgliche rechnerische Fokussierung durchgeführt werden kann. Diese Vorrichtung weist eine oder mehrere Sendeantennen (1) für elektromagnetische mm- Wellen, eine oder mehrere Empfangsantennen zum Empfangen von vom Prüfobjekt reflektierten Wellen und ein Auswertesystem, das Mittel zur nachträglichen rechnerischen Fokussierung der mm-Wellen auf eine Tiefenschicht mit Hilfe gemessener Amplituden und / oder Phasen auf.

Die Erfindung nutzt dabei die Eigenschaften einer Fokussierung, beispielsweise durch ein fokussierendes Element, zum Beispiel eine Linse, aus. Die Energie wird auf einen Punkt fokussiert, und die Energiedichte fällt vor und hinter diesem Punkt ab. Die Stärke des Abfalls und damit die Tiefenauflösung hängt vom Einfallswinkel α der Strahlen auf das Prüfobjekt ab. Es lassen sich so Objekte unterschiedlichen Abstands zu den Antennen basierend auf einer ausreichenden Tiefenauflösung unterscheiden. Es wird so eine ausreichende Tiefenauflösung mit monofrequenten mm- Wellen-Scannern ermöglicht.

Als weiterer Vorteil tritt hinzu, dass das Verfahren für ein Echtzeitsystem einsetzbar ist.

Bevorzugt ist das fokussierende Element zugleich als Reflektor ausgestaltet. Dies ermöglicht es, platzsparend die Sendeantenne zwischen dem fokussierenden Element und dem Prüfobjekt anzuordnen.

Dies ist möglich, da Abschattungen von Wellen im mittleren Bereich nur geringe Auswirkungen auf die Tiefenauflösung haben, während

Abschattungen der äußeren Strahlen vermieden werden sollen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 eine Skizze des Grundprinzips der Erfindung und die Figuren 2-4 in schematischer Darstellung verschiedene

Ausführungsformen.

Das nachfolgend beschriebene System ist zur Kontrolle von Passagieren und Gepäckstücken auf verdächtige Gegenstände wie Waffen oder Sprengstoff bestimmt. Das System ist bei weiteren Anwendungen einsetzbar, bei denen ein Prüfobjekt mit mm-Wellen bestrahlt und vom Prüfobjekt reflektierte mm-Wellen ausgewertet werden, um einen verdeckten, nicht sichtbaren Gegenstand zu detektieren.

In Figur 1 ist das Prinzip des Verfahrens mit den grundlegenden Teilen der Vorrichtung zu seiner niirr.hführung dargestellt. Eine Sendeantenne 1 für elektromagnetische mm-Wellen bestrahlt ein fokussierendes Element 2, von dem die von der Sendeantenne 1 ausgesandten Wellen auf das Prüfobjekts fokussiert werden. Das fokussierende Element 2 ist daher so gestaltet, dass der Fokus der ausgesandten Wellen auf verschiedene Tiefenbereiche 3, 4 des Prüfobjekts eingestellt werden kann.

Bevorzugt ist das fokussierende Element 2 - wie im Ausführungsbeispiel dargestellt - zugleich als Reflektor ausgestaltet. Vorzugsweise besteht das fokussierende Element 2 aus einem Array von Reflektionsantennen, deren Phasenverschiebung elektronisch einstellbar ist.

Um eine Fokussierung zu ermöglichen, können auch die Sende- und / oder Empfangsantennen so gestaltet sein, dass ihre Phasen und / oder Amplituden einstellbar sind. Die Vorrichtung enthält dann Mittel, um durch die Einstellung der Phasen und / oder Amplituden die mm-Wellen auf eine Tiefenschicht zu fokussieren.

Die elektromagnetische Welle wird von dem fokussierenden Element 2 auf das Prüfobjekt gerichtet. Die Fokussierung wird dabei so eingestellt, dass sich der Fokus zunächst in der ersten Tiefenschicht 3 befindet. Somit liegt die maximale Energiedichte an der Vorderkante der ersten Tiefenschicht 3 an, während die Energiedichte an der zweiten Tiefenschicht 4 reduziert wird. Zum Empfang der reflektierten Wellen ist die Sendeantenne 1 zugleich als Empfangsantenne gestaltet. Ebenso ist es möglich, in dem Array des fokussierenden Elements 2 zusätzlich Empfangsantennen anzuordnen. Da die Antenne 1 eine Sende- und Empfangsantenne ist, durchlaufen die reflektierten Wellen den gleichen Weg wie die vom fokussierenden Element ausgesandten Wellen, nur in umgekehrter Richtung. Die Einstellung des Fokuspunkts erfolgt bevorzugt durch Verschiebung der Phase. Dies wird beispielsweise durch den Einsatz von Patch-Antennen als Reflektionsantennen im fokussierenden Element 2 ermöglicht. Bei der Prüfung der beiden Schichten 3, 4 wird die Fokustiefe so verändert, dass der Fokus von der Schicht 3 in die Schicht 4 bewegt wird. Die umgekehrte Richtung der Fokussierung ist ebenfalls möglich. Die beiden Schichten 3, 4 des Prüfobjekts lassen sich so getrennt voneinander vermessen und getrennt in einem nicht dargestellten Auswertesystem auswerten, um verdeckte Gegenstände zu detektieren.

Bevorzugt ist das fokussierende Element 2 sehr nahe vor dem Prüfobjekt angeordnet. In Zusammenwirken mit einer geeigneten Formgebung und geeigneten Ausmaßen des fokussierenden Elements 2 lässt sich so der Einfallswinkel α möglichst groß gestalten. Dies führt zu einer verbesserten Tiefenauflösung, da diese proportional zur Wellenlänge und umgekehrt proportional zum Quadrat der numerischen Apertur NA ist. Die numerische Apertur NA ist definiert als der Sinus des Winkels α. Die Tiefenauflösung verbessert sich somit quadratisch mit dem Sinus des Einfallswinkels α. Dieser lässt sich möglichst groß halten, wenn das Prüfobjekt möglichst nahe an dem fokussierenden Element 2 angeordnet ist.

Die Figuren 2-4 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Dabei ist die Sende- und Empfangsantenne 1 im Bereich zwischen dem fokussierenden Element 2 und dem Prüfobjekt mit den Tiefenschichten 3, 4 angeordnet. Da auch bei diesen Ausführungsformen die Sendeantenne 1 zugleich als Empfangsantenne für die reflektierten Wellen dient, ist ein platzsparender, symmetrischer Aufbau der Vorrichtung möglich. Die Anordnung der Sende- und Empfangsantenne 1 zwischen dem fokussierenden Element 2 und dem Prüfobjekt hat nur sehr geringe negative Auswirkung auf die gewünschte Tiefenauflösung, da Abschattungen im mittleren Bereich in dieser Hinsicht nur geringe Auswirkungen haben. Abschattungen der äußeren Strahlen sollten zur Vermeidung von Beeinträchtigungen der Tiefenauflösung vermieden werden. Daher erstreckt sich das reflektierende Element 2 nach außen möglichst weit über die Sende- und Empfangsantenne 1 hinaus. So wird zugleich die numerische Apertur vorteilhaft vergrößert. Bei der Ausführungsform nach Figur 3 ist die Sende- und Empfangsantenne 1 in dem Array des fokussierenden Elements 2 angeordnet. Ein zusätzlicher Reflektor 5 lenkt die von der Antenne 1 ausgesandten Strahlen zum fokussierenden Element 2 und die von den Schichten 3, 4 des Prüfobjekts reflektierten Strahlen wieder zur Empfangsantenne 1 zurück. Bei der Ausführungsform nach Figur 4 ist das fokussierende Element 2 nach Art eines Hohlspiegels gekrümmt gestaltet, um die mm-Wellen in den Schichten 3, 4 des Prüfobjekts zu fokussieren.

Als Abtast- und Auswerteverfahren werden entweder monofrequente Verfahren, beispielsweise ein Phase-Array-Verfahren, ein multifrequentes Verfahren, insbesondere ein Stepped-FMCW- Verfahren, oder ein Pulsradarverfahren eingesetzt.

Die Fokussierung ermöglicht bei monofrequenten Verfahren eine Auflösung in der Tiefe des Prüfobjekts. Bei multifrequenten Verfahren werden vorteilhaft bei vorgegebener Bandbreite weniger Frequenzen für eine gewünschte Tiefenauflösung benötigt. Bei Pulsradarverfahren kann durch die Fokussierung bei gleicher Tiefenauflösung die Abtastrate verringert werden.

Alternativ kann die Vorrichtung auch so ausgestaltet sein, dass die Fokussierung nachträglich rechnerisch erfolgt. Das Auswertesystem enthält dann Mittel zur nachträglichen rechnerischen Fokussierung der mm-Wellen auf eine Tiefenschicht mit Hilfe gemessener Amplituden und / oder Phasen.

Bei der rechnerischen Fokussierung erfolgt nach einer Ausführungsform die Auswertung mit einem SAR-Verfahren (synthetische Apertur). Um diese zu erzeugen werden die Sende- und / oder Empfangsantennen auf einer bekannten Bahn bewegt. Alternativ kann die Auswertung auch mit einem inversen SAR-Verfahren erfolgen. Dann wird das Prüfobjekt auf einer bekannten Bahn bewegt.

Auch ist die Kombination mit den eingangs beschriebenen bekannten Verfahren zur Tiefenauflösung möglich. Es lassen sich so auch Modellbasierte Verfahren zur weiteren Verbesserung der Tiefenauflösung einsetzen, und die Anzahl der benötigten Frequenzen lässt sich bei einem Stepped-FMCW-Verfahren deutlich einschränken, da der Eindeutigkeitsbereich durch die Fokussierung deutlich kleiner wird. Zusammengefasst lassen sich wegen der ausreichenden Tiefenauflösung Objekte unterscheiden, die sich in verschiedenen Tiefenschichten befinden und damit unterschiedlichen Abstand zur Abtasteinrichtung aufweisen. So können auch von stark reflektierenden Schichten verdeckte Gegenstände detektiert werden.

Bei den Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren können die Sende- und zugehörigen Empfangsantennen in einem Array so nah beieinander positioniert werden, dass sie näherungsweise als kombinierte, quasi-monostatische Sende- und Empfangsantennen wirken.

Alternativ ist es möglich, in einem Array die Sende- und zugehörigen Empfangsantennen mit einem so großen Abstand voneinander anzuordnen, dass sie als bi- oder multistatische Antennen wirken. Bevorzugt ist es dann der Abstand einer Sende- von der zugehörigen Empfangsantenne größer als eine Wellenlänge.

Alle vorstehend beschriebenen Antennen werden vorteilhaft in einem Antennenarray angeordnet. Ist das Array als aktives Antennenarray gestaltet, so sind die Phasen und / oder Amplituden der einzelnen Elemente einstellbar. Vorstehend wurde bei einer Detektionsvorrichtung zur Überprüfung von Personen die Fokussierung elektronisch durchgeführt. Insbesondere bei kleineren Geräten, beispielsweise Hand- oder Schuhscannern, ist auch der Einsatz von quasi - optischen mm-Wellen fokussierenden Elementen, beispielsweise von quasi - optischen Linsensystemen, möglich.