DE102013220131B4 - Imaging system with orthogonal transmit signals - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Abbildung eines Objekts, mit den folgenden Schritten:simultanes Aussenden (402) von Signalen zur Objektausleuchtung im Mikrowellenbereich oder im Millimeterwellenbereich durch eine Mehrzahl von Sendeantennen (104), wobei jede der Mehrzahl von Sendeantennen (104) auf einer eigenen Sendefrequenz sendet und die Sendefrequenzen so gewählt werden, dass die darauf gesendeten Sendesignale zueinander orthogonal sind;Empfangen (404) vom Objekt reflektierter Signale durch eine Mehrzahl von Empfangsantennen (106); undBestimmen (406) einer Abbildung des Objekts basierend auf den von den Empfangsantennen (106) empfangenen Signalen;wobei jede der Sendeantennen (104) zeitlich nacheinander Signale gemäß einem eigenen Frequenzvektor aussendet, undwobei der Frequenzvektor eine Mehrzahl von Sendefrequenzen (f_100, f_101, f_102) definiert,wobei jeder Frequenzvektor eine Folge von Sendefrequenzen (f_100, f_101, f_102, f_200, f_201, f_202) umfasst, undeinander entsprechende Sendefrequenzen (f_100, f_200) unterschiedlicher Frequenzvektoren einen gegenseitigen Frequenzversatz Δf aufweisen,wobei für eine Trennung der Signale mit Frequenzversatz Δf die von den Empfangsantennen empfangenen Signale mit einer Anzahl N_sample von Abtastwerten abgetastet werden mit N_sample = 2 * N_carrier + 2, wobei N_carrier die Zahl simultan aktiver Sendeantennen angibt.Method for imaging an object, with the following steps:simultaneous transmission (402) of signals for object illumination in the microwave range or in the millimeter wave range by a plurality of transmitting antennas (104), each of the plurality of transmitting antennas (104) transmitting on its own transmission frequency and the transmission frequencies are selected such that the transmission signals transmitted thereon are mutually orthogonal;receiving (404) signals reflected from the object by a plurality of receiving antennas (106); anddetermining (406) an image of the object based on the signals received from the receiving antennas (106);wherein each of the transmitting antennas (104) emits signals sequentially in time according to its own frequency vector,andwherein the frequency vector comprises a plurality of transmission frequencies (f_100, f_101, f_102) defined,wherein each frequency vector comprises a sequence of transmission frequencies (f_100, f_101, f_102, f_200, f_201, f_202), andcorresponding transmission frequencies (f_100, f_200) of different frequency vectors have a mutual frequency offset Δf,wherein for a separation of the signals with frequency offset Δf the signals received from the receiving antennas are sampled with a number N_sample of samples with N_sample = 2 * N_carrier + 2, where N_carrier indicates the number of simultaneously active transmitting antennas.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Ausleuchtung und Abbildung von Objekten mithilfe elektromagnetischer Millimeterwellenstrahlung.The present invention relates to a method and a system for illuminating and imaging objects using electromagnetic millimeter wave radiation.
Millimeterwellen- bzw. Mikrowellen-Systeme werden zunehmend in der zerstörungsfreien Materialprüfung und für Personenscanner eingesetzt. Millimeterwellen eignen sich bspw. zur Detektion metallischer wie auch nichtmetallischer Objekte, bspw. keramischer Objekte. Gleichzeitig sind Luft, Materialien, wie sie etwa für Kleidung verwendet werden, etc. transparent für derartige Strahlung. Somit eignen sich Millimeter- oder Mikrowellen wellen bspw. zur berührungslosen Detektion unter der Kleidung verborgener Gegenstände. Entsprechende Scanner können Metalldetektoren ergänzen oder ersetzen, etwa im Bereich von Sicherheitskontrollen an Flughäfen oder sicherheitsrelevanten öffentlichen Einrichtungen.Millimeter wave or microwave systems are increasingly being used in non-destructive material testing and for personal scanners. For example, millimeter waves are suitable for detecting metallic as well as non-metallic objects, for example ceramic objects. At the same time, air, materials such as those used for clothing, etc. are transparent to such radiation. Thus, millimeter or microwave waves are suitable, for example, for non-contact detection of objects hidden under clothing. Corresponding scanners can supplement or replace metal detectors, for example in the area of security checks at airports or security-relevant public facilities.
Beim Betrieb eines derartigen Scanners wird ein Mikrowellensignal mit einer gegebenen Bandbreite erzeugt und von mindestens einer Antenne in Richtung eines menschlichen Körpers mit ggf. unter der Kleidung verborgenen Objekten ausgesendet. Die Mikrowellensignale werden vom Körper und von den versteckten Objekten reflektiert. Die Reflektionen werden von mindestens einer Antenne empfangen. Sende- und Empfangsantenne können separat vorgesehen sein.When such a scanner is operated, a microwave signal with a given bandwidth is generated and emitted by at least one antenna in the direction of a human body with objects that may be hidden under clothing. The microwave signals are reflected from the body and hidden objects. The reflections are received by at least one antenna. Transmitting and receiving antennas can be provided separately.
Ein Scanner kann auch eine Vielzahl von Sende- und/oder Empfangsantennen umfassen. Ein derartiger Scanner kann bspw. in einem multistatischen Modus betrieben werden, bei dem eine Sendeantenne ein Signal aussendet und Reflektionen dieses Signals nach Amplitude und Phasenlage von mehreren oder allen Empfangsantennen empfangen werden.A scanner can also include a multiplicity of transmitting and/or receiving antennas. Such a scanner can be operated, for example, in a multistatic mode, in which a transmitting antenna emits a signal and reflections of this signal are received by a number or all of the receiving antennas according to amplitude and phase position.
Es können Verfahren der Apertursynthese zur Anwendung kommen, bspw. Verfahren der digitalen Keulenformung („Digital Beamforming“, DBF), bei denen eine Fokussierung der ausgesendeten und/oder der empfangenen Strahlung zur Objektabtastung ohne mechanische Bewegung der Antennen oder elektromagnetische Bündelung durch Linsen oder dgl. erfolgen kann. Stattdessen erfolgt eine Fokussierung nur durch gezielte Ansteuerung der Sendeantennen und/oder Auswertung der von den Empfangsantennen detektierten Signale. Bei letzteren wird bspw. durch einen softwarebasierten Algorithmus ein von einem gegebenen Raumpunkt in Richtung auf mehrere Antennen reflektiertes und dort empfangenes Signal entsprechend ausgewertet.Aperture synthesis methods can be used, e.g. digital beamforming (DBF) methods, in which the emitted and/or received radiation for object scanning can be focused without mechanical movement of the antennas or electromagnetic bundling by lenses or the like . Instead, focusing only takes place through targeted activation of the transmitting antennas and/or evaluation of the signals detected by the receiving antennas. In the case of the latter, a signal reflected from a given point in space in the direction of a number of antennas and received there is evaluated accordingly, for example using a software-based algorithm.
Aus der
Zur Abbildung von Objekten, die sich in Bezug auf den Scanner bewegen, sollten die Messzeiten zur Belichtung bzw. Ausleuchtung des Objekts ausreichend kurz sein, um Bildunschärfen zu minimieren und so verwertbare Bilder zu erhalten. So werden bspw. im Bereich von Personenscannern üblicherweise Messzeiten von bis zu 15 Millisekunden, bevorzugt 10 Millisekunden, für ausreichend kurz angesehen, um verwertbare Bilder zu erhalten.To image objects that move in relation to the scanner, the measurement times for exposure or illumination of the object should be short enough to minimize image blurring and thus obtain usable images. For example, in the area of personal scanners, measurement times of up to 15 milliseconds, preferably 10 milliseconds, are usually considered sufficiently short to obtain usable images.
Zur Realisierung derart kurzer Messzeiten sind allerdings für eine ausreichend hohe Abbildungsqualität (d.h. hohe Messdynamik) entsprechend leistungsfähige Hardware-Komponenten erforderlich und daher für praktische Implementierungen auch eine hohe Integrationsdichte des Systems. Hier bestehen allerdings Grenzen was die technische Machbarkeit und/oder die Systemkosten betrifft.In order to achieve such short measurement times, however, correspondingly powerful hardware components are required for a sufficiently high imaging quality (i.e. high measurement dynamics) and therefore a high integration density of the system for practical implementations. However, there are limits in terms of technical feasibility and/or system costs.
YANG, Jungang [et al.]: Synthetic aperture radar imaging using stepped frequency waveform. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 50, 2012, No. 5, S. 2026-2036. - ISSN 0196-2892 offenbart ein Radarbildgebungssystem mit synthetischer Apertur, welches eine abgestufte Frequenzwellenform verwendet.YANG, Jungang [et al.]: Synthetic aperture radar imaging using stepped frequency waveform. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 50, 2012, no. 5, pp. 2026-2036. - ISSN 0196-2892 discloses a synthetic aperture radar imaging system using a stepped frequency waveform.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. System zur Abbildung eines Objekts im Mikrowellen- bzw. Millimeterwellenbereich vorzuschlagen, welches die konkurrierenden Anforderungen kurzer Messzeiten und praktisch erreichbarer hoher Integrationsdichte bei vertretbaren Kosten optimiert.One object of the present invention is to propose a method or system for imaging an object in the microwave or millimeter wave range, which optimizes the competing requirements of short measurement times and a practically achievable high integration density at reasonable costs.
Die Aufgabe wird für den Verfahrensaspekt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für den Systemaspekt durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.The object is achieved by the features of claim 1 for the method aspect and by the features of claim 9 for the system aspect.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abbildung eines Objekts vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst: Simultanes Aussenden von Signalen zur Objektausleuchtung im Mikrowellenbereich oder im Millimeterwellenbereich durch eine Mehrzahl von Sendeantennen, wobei jede der Mehrzahl von Sendeantennen auf einer eigenen Sendefrequenz sendet und die Sendefrequenzen so gewählt werden, dass die darauf gesendeten Sendesignale zueinander orthogonal sind; Empfangen vom Objekt reflektierter Signale durch eine Mehrzahl von Empfangsantennen; und Bestimmen einer Abbildung des Objekts basierend auf den von den Empfangsantennen empfangenen Signalen; wobei jede der Sendeantennen zeitlich nacheinander Signale gemäß einem eigenen Frequenzvektor aussendet, und wobei der Frequenzvektor eine Mehrzahl von Sendefrequenzen definiert, wobei jeder Frequenzvektor eine Folge von Sendefrequenzen umfasst, und einander entsprechende Sendefrequenzen unterschiedlicher Frequenzvektoren einen gegenseitigen Frequenzversatz Δf aufweisen, wobei für eine Trennung der Signale mit Frequenzversatz Δf die von den Empfangsantennen empfangenen Signale mit einer Anzahl N_sample von Abtastwerten abgetastet werden mit N_sample = 2 * N_carrier + 2, wobei N_carrier die Zahl simultan aktiver Sendeantennen angibt.According to the invention, a method for imaging an object is proposed, which comprises the following steps: Simultaneous transmission of signals for object illumination in the microwave range or in the millimeter wave range by a plurality of transmission antennas, each of the plurality of transmission antennas transmitting on its own transmission frequency and the transmission frequencies being selected in this way that the transmission signals sent thereon are orthogonal to one another; receiving signals reflected from the object by a plurality of receiving antennas; and determining an image of the object based on the signals received from the receiving antennas; wherein each of the transmitting antennas emits signals in chronological succession according to its own frequency vector, and wherein the frequency vector defines a plurality of transmission frequencies, each frequency vector comprising a sequence of transmission frequencies, and transmission frequencies of different frequency vectors which correspond to one another have a mutual frequency offset Δf, whereby for a separation of the signals with frequency offset Δf, the signals received by the receiving antennas are sampled with a number N_sample of samples with N_sample=2*N_carrier+2, where N_carrier indicates the number of simultaneously active transmitting antennas.
Das System kann zur Ausleuchtung und Abbildung eines Objekts wie etwa eines Menschen oder auch eines Tieres oder unbelebten Objekts ausgelegt sein. Bestimmte Ausführungsformen des Systems haben den Verwendungszweck, am Körper eines Menschen unter dessen Kleidung verborgene Objekte zu detektieren, was nicht-metallische Objekte wie etwa keramische Waffen oder körpernah geformte Objekte aus plastischen Sprengstoffen einschließen kann.The system can be designed to illuminate and image an object such as a human being or an animal or inanimate object. Certain embodiments of the system have an intended use for detecting objects concealed on a human's body under clothing, which may include non-metallic objects such as ceramic weapons or body-molded objects made from plastic explosives.
Bei den Sende- und/oder Empfangsantennen kann es sich bspw. um Hornantennen handeln. Die elektromagnetische Strahlung kann etwa Mikrowellen umfassen, also bspw. Strahlung im Wellenlängenbereich von 1 Millimeter bis 10 Millimeter. Die Begriffe „Millimeterwellen“ und „Mikrowellen“ werden in dieser Offenbarung gelegentlich synonym verwendet. Bei einigen Ausführungsformen liegt eine Frequenz der ausgesendeten Signale bei 70 Gigahertz oder mehr, bspw. in einem Bereich von 70 Gigahertz bis 81 Gigahertz.The transmitting and/or receiving antennas can be horn antennas, for example. The electromagnetic radiation can include microwaves, for example, radiation in the wavelength range from 1 millimeter to 10 millimeters. The terms "millimeterwave" and "microwave" are sometimes used interchangeably in this disclosure. In some embodiments, a frequency of the transmitted signals is 70 gigahertz or more, for example in a range from 70 gigahertz to 81 gigahertz.
Zur Objektausleuchtung können Signale in Richtung auf ein Objekt, bspw. bevorzugt in Richtung auf einen vorgegebenen Objekt- oder Messbereich hin ausgesendet und/oder empfangen werden. Zusätzlich oder alternativ kann bei bestimmten Ausführungsformen eine senderseitige und/oder empfangsseitige synthetische Fokussierung vorgenommen werden. Die Abbildung des Objekts kann etwa basierend auf einer synthetischen Fokussierung bestimmt werden, wie sie aus Verfahren der digitalen Keulenformung (DBF, „Digital Beam Forming“) bekannt ist.To illuminate an object, signals can be transmitted and/or received in the direction of an object, for example preferably in the direction of a specified object or measurement area. Additionally or alternatively, in certain embodiments, synthetic focusing can be performed at the transmitter end and/or at the receiver end. The imaging of the object can be determined, for example, based on synthetic focusing, as is known from digital beam forming (DBF, “Digital Beam Forming”) processes.
Von mehreren Sendeantennen simultan ausgesendete Sendesignale sollen orthogonal zueinander sein; es kann sich bspw. um OFDM(„Orthogonal Frequency Division Multiplex“)-Signale handeln. Hierunter wird zunächst verstanden, dass innerhalb einer gegebenen Bandbreite im Frequenzbereich zwischen simultan ausgesendeten Signalen ein gegebener Frequenzversatz Δf vorhanden ist, wie für FDM(„Frequency Division Multiplex“)-Systeme bekannt. Der Frequenzversatz Δf soll darüber hinaus in spezieller Weise gewählt sein, nämlich so, dass sich die Frequenzen der simultan ausgesendeten Signale jeweils um ein ganzes Vielfaches (im Sinne der natürlichen Zahlen) einer Grundfrequenz unterscheiden. Werden bspw. zwei Signale mit Frequenzen f_1 und f_2 simultan ausgesendet, und sollen diese Signale (bzw. die entsprechenden, vom Objekt reflektierten Signale wie sie vom Empfänger empfangen werden) orthogonal zueinander sein, so muss für die Frequenzen gelten: f_1 = f_LO + m * f, f_2 = f LO + n * f, wobei m, n natürliche Zahlen sind, f eine Grundfrequenz ist, bspw. ein Bruchteil einer Abtastfrequenz, und f_LO eine Umsetzungsfrequenz (LO, „Local Oscillator“), um welche ein Empfänger bei manchen Systemen ein Empfangssignal in ein zumeist niedrigeres Frequenzband, bspw. eine Zwischenfrequenz (ZF), umsetzt. Für ein System ohne Mischung, bspw. ohne Herabmischung auf ein ZF-Signal im Empfänger, wäre in den obigen Gleichungen f_LO = 0 in Einheiten von Hertz oder einer anderen Einheit zur Frequenzmessung.Transmission signals transmitted simultaneously by several transmission antennas should be orthogonal to one another; it can be, for example, OFDM (“Orthogonal Frequency Division Multiplex”) signals. This means that within a given bandwidth in the frequency range, there is a given frequency offset Δf between simultaneously transmitted signals, as is known for FDM (“Frequency Division Multiplex”) systems. In addition, the frequency offset Δf should be selected in a special way, namely in such a way that the frequencies of the simultaneously transmitted signals each differ by a whole multiple (in the sense of the natural numbers) of a fundamental frequency. If, for example, two signals with frequencies f_1 and f_2 are transmitted simultaneously and these signals (or the corresponding signals reflected by the object as received by the receiver) are to be orthogonal to one another, the following must apply to the frequencies: f_1 = f_LO + m * f, f_2 = f LO + n * f, where m, n are natural numbers, f is a fundamental frequency, e.g. a fraction of a sampling frequency, and f_LO is a conversion frequency (LO, "Local Oscillator") around which a receiver Some systems convert a received signal into a mostly lower frequency band, e.g. an intermediate frequency (IF). For a system with no mixing, e.g. no down-conversion to an IF signal at the receiver, in the above equations f_LO = 0 would be in units of Hertz or some other frequency measurement unit.
Einige Ausführungsformen sehen vor, dass jede der Sendeantennen Signale gemäß einem eigenen Frequenzvektor aussendet. Der Frequenzvektor gibt eine Mehrzahl von Sendefrequenzen vor, also eine Folge oder Reihe von Sendefrequenzen. Mit diesen Frequenzen wird dann zeitlich nacheinander eine Folge oder Reihe von Sendesignalen ausgesendet. Bspw. kann für jede gemäß Frequenzvektor vorgesehene Frequenz genau einmal ein Sendesignal mit dieser Frequenz ausgesendet werden, wobei nach einem bestimmten Zeitraum, z.B. einem Messzeitintervall, gemäß Vorgabe durch den Frequenzvektor zur nächsten Sendefrequenz weitergeschaltet wird.Some embodiments provide that each of the transmission antennas emits signals according to its own frequency vector. The frequency vector specifies a plurality of transmission frequencies, ie a sequence or series of transmission frequencies. A sequence or series of transmission signals is then transmitted in chronological succession with these frequencies. For example, a transmission signal with this frequency can be transmitted exactly once for each frequency provided according to the frequency vector, with switching to the next transmission frequency after a certain period of time, e.g. a measurement time interval, as specified by the frequency vector.
Bei bestimmten Ausführungsformen sind Gruppen von Sendeantennen vorgesehen. Die Gruppen unterscheiden sich dadurch, dass jeder Gruppe ein eigener Frequenzvektor zugeordnet ist, d.h. es gibt mindestens so viele unterschiedliche Frequenzvektoren wie Gruppen von Sendeantennen. Die Frequenzvektoren der unterschiedlichen Gruppen können gleich lang sein, oder können eine unterschiedliche Anzahl an Sendefrequenzen vorgeben. Bspw. können zu einem bestimmten Zeitpunkt nur die Sendeantennen einer Gruppe oder mehrerer Gruppen senden, während die Antennen einer anderen Gruppe oder mehrerer anderer Gruppen zu diesem Zeitpunkt nicht senden.In certain embodiments, arrays of transmit antennas are provided. The groups differ in that each group is assigned its own frequency vector, ie there are at least as many different frequency vectors as there are groups of transmitting antennas. The frequency vectors of the different groups can be of the same length, or can be one under specify a different number of transmission frequencies. For example, only the transmitting antennas of one group or groups can transmit at a certain point in time, while the antennas of another group or groups are not transmitting at that point in time.
Bei bestimmten Ausführungsformen unterscheiden sich die Frequenzvektoren in allen Frequenzpunkten, d.h. Sendefrequenzen, so dass jede Sendefrequenz nur genau einer Gruppe zugeordnet ist. Dies muss aber nicht zwingend so sein. Von Bedeutung ist lediglich, dass simultan mehrere Sendesignale interferenzfrei (d.h. orthogonal zueinander) ausgesendet werden. Bei manchen Ausführungsformen unterscheiden sich die Frequenzvektoren der unterschiedlichen Gruppen untereinander um jeweils nur mindestens eine Sendefrequenz oder nur einige Sendefrequenzen. Stimmen Sendefrequenzen zweier oder mehrerer Gruppen überein, müssen diese nicht zwingend zur selben Zeit ausgesendet werden. Stimmen die Sendefrequenzen zweier Vektoren für ein- und denselben Messzeitpunkt überein, ist dies äquivalent zu einer dynamischen Gruppierung, bei der eine Antenne oder mehrere oder alle Sendeantennen während des Messvorgangs unterschiedlichen Gruppen zugeordnet werden.
Somit kann bei einem System mit mehreren Sendeantennen (zu einem bestimmten Messzeitpunkt) jede Sendeantenne genau einer Gruppe zugeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, dass einige Sendeantennen eines Systems keiner Gruppe zugeordnet werden, bspw. werden diese Antennen generell oder für einen momentanen Messzeitpunkt nicht verwendet. Ist eine Antenne keiner Gruppe mit deren Frequenzvektoren zugeordnet und soll dennoch für den Messprozess verwendet werden, so muss für diese Antenne ein Frequenzvektor bereitgestellt werden, auch wenn dieser im Vergleich zu den anderen Frequenzvektoren bspw. nur einen einzigen Frequenzpunkt oder eine kleinere oder größere Anzahl an Frequenzpunkten aufweist.In certain embodiments, the frequency vectors differ at all frequency points, ie transmission frequencies, so that each transmission frequency is assigned to exactly one group. But this does not necessarily have to be the case. The only important thing is that several transmission signals are transmitted simultaneously without interference (ie orthogonally to one another). In some embodiments, the frequency vectors of the different groups differ from one another by only at least one transmission frequency or only a few transmission frequencies. If the transmission frequencies of two or more groups match, they do not necessarily have to be transmitted at the same time. If the transmission frequencies of two vectors match for one and the same measurement time, this is equivalent to a dynamic grouping in which one antenna or several or all transmission antennas are assigned to different groups during the measurement process.
Thus, in a system with several transmitting antennas (at a specific measurement time), each transmitting antenna can be assigned to exactly one group. However, it is also conceivable that some transmission antennas of a system are not assigned to any group, for example these antennas are not used in general or for a momentary measurement time. If an antenna is not assigned to a group with its frequency vectors and is still to be used for the measurement process, a frequency vector must be provided for this antenna, even if this has only a single frequency point or a smaller or larger number of frequency points than the other frequency vectors has frequency points.
Mindestens ein Frequenzvektor kann eine Folge äquidistanter Sendefrequenzen umfassen, d.h. die Sendefrequenzen des Vektors unterscheiden sich um einen konstanten Frequenzabstand D_f oder ein Vielfaches davon. In einem Beispiel kann ein Frequenzvektor V_1 insgesamt 64 Frequenzen umfassen, wobei f_0 = 70 GHz (Gigahertz), f_1 = f_0 + D_f, f_2 = f_0 + 2D_f, ... , f_63 = f_0 + 63D_f, und D_f = 158,73 MHz (Megahertz).At least one frequency vector can include a sequence of equidistant transmission frequencies, i.e. the transmission frequencies of the vector differ by a constant frequency spacing D_f or a multiple thereof. In one example, a frequency vector V_1 may include a total of 64 frequencies, where f_0 = 70 GHz (gigahertz), f_1 = f_0 + D_f, f_2 = f_0 + 2D_f, ... , f_63 = f_0 + 63D_f, and D_f = 158.73 MHz (megahertz).
Liegen bei manchen Ausführungsformen mehrere Sendergruppen vor, gibt es auch mehrere Frequenzvektoren, wobei die Frequenzvektoren etwa einen gegenseitigen Frequenzversatz Δf oder ein Vielfaches davon aufweisen können, so dass einander entsprechende Sendefrequenzen unterschiedlicher Frequenzvektoren einen gegenseitigen Frequenzversatz Δf aufweisen, d.h. etwa Sendefrequenzen auf gleichen Positionen innerhalb ihrer jeweiligen Frequenzvektoren. Für einen Frequenzversatz von bspw. Δf = 16,67 MHz wären also die Sendefrequenzen für den obigen Beispielvektor Vf_1: f_100 = 70 GHz, ..., f_163 = 80 GHz; für einen um 1Δf versetzten Vektor Vf_2: f_200 = 70,01667 GHz, ..., f_263 = 80,01667 GHz; für einen um 2Δf versetzten Vektor Vf_3: f_300 = 70,03333 GHz, ..., f_363 = 80,03333 GHz, usw.If there are several transmitter groups in some embodiments, there are also several frequency vectors, with the frequency vectors having a mutual frequency offset Δf or a multiple thereof, so that transmission frequencies of different frequency vectors that correspond to one another have a mutual frequency offset Δf, ie approximately transmission frequencies at the same positions within them respective frequency vectors. For a frequency offset of Δf = 16.67 MHz, for example, the transmission frequencies for the example vector Vf_1 above would be: f_100 = 70 GHz, ..., f_163 = 80 GHz; for a vector Vf_2 shifted by 1Δf: f_200 = 70.01667 GHz, ..., f_263 = 80.01667 GHz; for a vector Vf_3 shifted by 2Δf: f_300 = 70.03333 GHz, ..., f_363 = 80.03333 GHz, etc.
Wie aus dem obigen Beispiel ersichtlich, können die Frequenzvektoren bspw. eine Messbandbreite von 10 GHz oder mehr abdecken. Wie weiterhin ersichtlich, kann insbesondere ein fester Frequenzversatz Δf vorgesehen sein. Der Frequenzversatz Δf kann bspw. so gewählt sein, dass parallel ausgesendete Signale unterschiedlicher Frequenzvektoren nicht nur orthogonal sind, sondern auch innerhalb einer Empfangsbandbreite der Empfangsantennen bzw. genauer von Empfangskanälen der nachgeschalteten Signalverarbeitung liegen, so dass simultan ausgesendete Signale mehrerer Sendeantennen simultan empfangen werden können, bspw. basierend auf einer Empfangsbandbreite wie sie sich aus einer Abtastrate im Empfänger ergibt.As can be seen from the example above, the frequency vectors can cover a measurement bandwidth of 10 GHz or more, for example. As can also be seen, a fixed frequency offset Δf can be provided in particular. The frequency offset Δf can, for example, be selected in such a way that signals of different frequency vectors transmitted in parallel are not only orthogonal, but also lie within a reception bandwidth of the reception antennas or, more precisely, of reception channels of the downstream signal processing, so that simultaneously transmitted signals from a number of transmission antennas can be received simultaneously. for example, based on a reception bandwidth as it results from a sampling rate in the receiver.
Bei der Bestimmung des Abbildes des ausgeleuchteten Objekts können Verfahren der digitalen Signalverarbeitung zur Anwendung kommen. Bspw. können die empfangenen Signale einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) unterzogen werden. Alternativ kann etwa ein digitales Abwärtsmischen durchgeführt und ein Mittelungsfilter angewendet werden.Digital signal processing methods can be used to determine the image of the illuminated object. For example, the received signals can be subjected to a Discrete Fourier Transform (DFT). Alternatively, a digital downconversion can be performed and an averaging filter can be applied.
Für eine Analog-Digital-Wandlung ist eine analoge Repräsentation eines empfangenen Signals abzutasten. Um hierbei parallel empfangene Signale mit einem Frequenzversatz Δf trennen zu können, werden bei bestimmten Ausführungsformen die von den Empfangsantennen empfangenen Signale mit einer Anzahl N_sample von Abtastwerten abgetastet, wobei N_sample = 2 * N_carrier + 2, wobei N_carrier die Zahl simultan aktiver Sendeantennen angibt.For an analog-to-digital conversion, an analog representation of a received signal has to be sampled. In order to be able to separate signals received in parallel with a frequency offset Δf, in certain embodiments the signals received by the receiving antennas are sampled with a number N_sample of samples, where N_sample=2*N_carrier+2, where N_carrier specifies the number of simultaneously active transmitting antennas.
Bei einigen dieser Ausführungsformen wird der Frequenzversatz Δf so gewählt, dass gilt Δf = f_sample / N_sample = f_sample / (2 * N_carrier + 2), wobei f_sample eine Abtastfrequenz der von den Empfangsantennen empfangenen Signale angibt. Ein derartiger Frequenzversatz ermöglicht eine effiziente Signaltrennung.In some of these embodiments, the frequency offset Δf is chosen such that Δf=f_sample/N_sample=f_sample/(2*N_carrier+2), where f_sample indicates a sampling frequency of the signals received by the receiving antennas. Such a frequency offset enables efficient signal separation.
Bei anderen Ausführungsformen werden die von den Empfangsantennen empfangenen Signale mit einer Anzahl N_sample von Abtastwerten abgetastet, wobei N_sample = 2 * N_carrier + 1 ist (N_carrier gibt wieder die Zahl simultan aktiver Sendeantennen an). Hierbei kann der Frequenzversatz zu Δf = f_sample / (2 * N_carrier) gewählt werden, wenn f_sample wieder eine Abtastfrequenz der von den Empfangsantennen empfangenen Signale angibt.In other embodiments, the signals received by the receiving antennas are sampled with a number N_sample of samples, where N_sample=2*N_carrier+1 (N_carrier again indicates the number of simultaneously active transmit antennas). In this case, the frequency offset can be chosen to be Δf=f_sample/(2*N_carrier) if f_sample again indicates a sampling frequency of the signals received by the receiving antennas.
Bei einigen Ausführungsformen werden zur Bestimmung der Abbildung des Objekts vorgegebene Empfangssignale ausgeblendet. Bspw. werden bestimmte Empfangszeitpunkte maskiert, um ein Antennenübersprechen etwa von einer Sendeantenne auf eine benachbarte Empfangsantenne zu minimieren.In some embodiments, predetermined received signals are masked out to determine the image of the object. For example, specific reception times are masked in order to minimize antenna crosstalk, for example from one transmitting antenna to an adjacent receiving antenna.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein System zur Abbildung eines Objekts vorgeschlagen, welches umfasst: Eine Mehrzahl von Sendeantennen zur simultanen Aussendung von Signalen zur Objektausleuchtung im Mikrowellenbereich oder im Millimeterwellenbereich, wobei jede der Mehrzahl von Sendeantennen dazu ausgebildet ist, auf einer eigenen Sendefrequenz zu senden und wobei die Sendefrequenzen so gewählt sind, dass die darauf gesendeten Sendesignale zueinander orthogonal sind; eine Mehrzahl von Empfangsantennen zum Empfang vom Objekt reflektierter Signale; und eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung einer Abbildung des Objekts basierend auf den von den Empfangsantennen empfangenen Signalen; wobei jede der Sendeantennen dazu dient, zeitlich nacheinander Signale gemäß einem eigenen Frequenzvektor auszusenden, und wobei der Frequenzvektor eine Mehrzahl von Sendefrequenzen definiert, wobei jeder Frequenzvektor eine Folge von Sendefrequenzen umfasst, und einander entsprechende Sendefrequenzen unterschiedlicher Frequenzvektoren einen gegenseitigen Frequenzversatz Δf aufweisen, wobei die Verarbeitungseinheit ferner dazu dient für eine Trennung der Signale mit Frequenzversatz Δf die von den Empfangsantennen empfangenen Signale mit einer Anzahl N_sample von Abtastwerten abzutasten mit N_sample = 2 * N_carrier + 2, wobei N_carrier die Zahl simultan aktiver Sendeantennen angibt. Bei dem System kann es sich bspw. um einen Personenscanner handeln.According to the invention, a system for imaging an object is also proposed, which comprises: a plurality of transmitting antennas for the simultaneous transmission of signals for object illumination in the microwave range or in the millimeter wave range, each of the plurality of transmitting antennas being designed to transmit on its own transmission frequency and wherein the transmission frequencies are chosen such that the transmission signals transmitted thereon are orthogonal to one another; a plurality of receiving antennas for receiving signals reflected from the object; and a processing unit for determining an image of the object based on the signals received from the receiving antennas; wherein each of the transmitting antennas is used to emit signals in chronological succession according to its own frequency vector, and wherein the frequency vector defines a plurality of transmission frequencies, each frequency vector comprising a sequence of transmission frequencies, and transmission frequencies of different frequency vectors which correspond to one another have a mutual frequency offset Δf, the processing unit also serves for separating the signals with frequency offset Δf to sample the signals received from the receiving antennas with a number N_sample of samples with N_sample=2*N_carrier+2, where N_carrier indicates the number of simultaneously active transmitting antennas. The system can be a person scanner, for example.
Das System kann eine Mehrzahl von Clustern mit jeweils einer Mehrzahl Sendeantennen umfassen. Alle Sendeantennen eines Clusters können genau einer Sendergruppe mit eigenem Frequenzvektor zugeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen des Systems umfassen die Cluster jeweils eine Mehrzahl von Empfangsantennen. Die Verarbeitungseinheit kann ausgebildet sein, um eine Abbildung des Objekts basierend auf den Signalen der Empfangsantennen unabhängig von deren Cluster- oder Gruppenzugehörigkeit zu bestimmen. Bspw. können die simultan ausgesendeten Sendesignale mehrerer Sendergruppen von allen Empfangsantennen des Systems empfangen werden.The system may include a plurality of clusters each having a plurality of transmit antennas. All transmitting antennas in a cluster can be assigned to exactly one transmitter group with its own frequency vector. In some embodiments of the system, the clusters each include a plurality of receive antennas. The processing unit can be designed to determine an image of the object based on the signals of the receiving antennas, regardless of their cluster or group affiliation. For example, the simultaneously transmitted transmission signals of several transmitter groups can be received by all receiving antennas of the system.
Das System kann zum simultanen Auslesen aller Empfangskanäle eines Clusters, mehrerer Cluster, oder aller Empfangskanäle des Systems ausgebildet sein.The system can be designed for the simultaneous reading out of all reception channels of a cluster, several clusters, or all reception channels of the system.
Mit der Erfindung werden Systeme und Verfahren zur Abbildung eines Objekts im Mikro- bzw. Millimeterwellenbereich bereitgestellt, die es ermöglichen, dass mehrere Sendeantennen simultan senden und die reflektierten Signale simultan vermessen werden können. Die Verarbeitung reflektierter Signale, d.h. insbesondere die Trennung paralleler Signale, kann bei Verwendung orthogonaler Sendesignale besonders effizient erfolgen. Auf diese Weise kann ein Messzeitgewinn realisiert werden, was zu einer Verringerung der Bewegungsunschärfe in den Abbildungen führt. Die Anforderungen an die Hardware bleiben dabei im Wesentlichen unverändert.The invention provides systems and methods for imaging an object in the microwave or millimeter wave range, which make it possible for a plurality of transmitting antennas to transmit simultaneously and for the reflected signals to be measured simultaneously. The processing of reflected signals, i.e. in particular the separation of parallel signals, can be carried out particularly efficiently when using orthogonal transmission signals. In this way, a gain in measurement time can be realized, which leads to a reduction in motion blur in the images. The hardware requirements remain essentially unchanged.
Der limitierten Empfangsbandbreite realistischer Hardware-Konzeptionen kann dadurch Rechnung getragen werden, dass die Sendeantennen in Gruppen eingeordnet werden, wobei jede Gruppe Sendesignale gemäß einem eigenen Frequenzvektor aussendet. Die Frequenzvektoren der Gruppen können auf geeignete Weise z.B. geringfügig so gegeneinander versetzt werden, dass empfangene Signale verschiedener Gruppen innerhalb der Empfangsbandbreite des Empfangskanals liegen. So ist einerseits ein paralleler Empfang und damit Messzeitgewinn möglich. Andererseits kann auch eine Signaltrennung mit einem minimalen Aufwand realisiert werden. Auf diese Weise können die Anforderungen an die Hardware minimiert werden.The limited reception bandwidth of realistic hardware concepts can be taken into account by arranging the transmission antennas into groups, with each group emitting transmission signals according to its own frequency vector. The frequency vectors of the groups can be offset in a suitable manner, e.g. slightly, so that received signals from different groups lie within the reception bandwidth of the reception channel. On the one hand, parallel reception and thus a gain in measurement time are possible. On the other hand, signal separation can also be implemented with a minimum of effort. In this way, the hardware requirements can be minimized.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abbildungssystems; -
2 eine Detailansicht des Systems aus1 mit einem Antennencluster; -
3 in schematischer Form funktionale Komponenten des Systems aus1 für eine Signalverarbeitung; -
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des Betriebsverfahrens des Systems der1 -3 ; -
5 eine schematische Darstellung eines Antennenclusters zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sendergruppierung; -
6A eine schematische Darstellung einer Senderapertur mit Antennenclustern zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Sendergruppierung; -
6B eine weitere Darstellung der Senderapertur der6C zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Sendergruppierung; -
7A ein Diagramm zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Frequenzrasters aus mehreren versetzten Frequenzvektoren; -
7B ein Diagramm zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Frequenzrasters; -
8A ein Spektraldiagramm zur Veranschaulichung eines Zweitonsignals nach ZF-Umsetzung; und -
8B ein Spektraldiagramm zur Veranschaulichung einer Signaltrennung bei dem Zweitonsignal der8A .
-
1 an embodiment of an imaging system according to the invention; -
2 a detailed view of the system1 with an antenna cluster; -
3 functional components of the system in schematic form1 for signal processing; -
4 a flowchart to illustrate an embodiment of the method of operation of the system of FIG1 -3 ; -
5 a schematic representation of an antenna cluster to illustrate a first embodiment of a transmitter grouping; -
6A a schematic representation of a transmitter aperture with antenna clusters to illustrate a second embodiment of a transmitter grouping; -
6B another representation of the transmitter aperture of the6C to illustrate a third embodiment of a transmitter grouping; -
7A a diagram to illustrate a first embodiment of a frequency grid from a plurality of offset frequency vectors; -
7B a diagram to illustrate a second embodiment of a frequency grid; -
8A a spectral diagram to illustrate a two-tone signal after IF conversion; and -
8B a spectral diagram to illustrate a signal separation in the two-tone signal8A .
In
Auf dem Boden vor dem Rahmen 102 befindet sich eine Bodenplatte 112 mit einem Reflektorelement 114. Platte 112 und Element 114 sind einem Winkel von 90° zum Rahmen 102 mit den Antennen 104, 106 angeordnet und begrenzen hier den Ausleuchtungsbereich 108 nach unten. Von den Sendeantennen 104 ausgesendete Mikrowellen werden durch das Reflektorelement 114 in Richtung auf das Objekt reflektiert. Außerdem wird vom Objekt reflektierte Strahlung in Richtung auf die Empfangsantennen 106 reflektiert. Das Element 114 kann etwa eine metallische reflektierende Platte umfassen, auf die sich eine auszuleuchtende Person in einem durch das Symbol 116 bezeichneten Bereich stellt.A base plate 112 with a reflector element 114 is located on the floor in front of the
Das System 100 realisiert mit den 32 Modulen 120 eine planare, ausgedünnte („sparse“) Apertur; eine Aperturgröße kann bei ca. 2 Quadratmetern liegen. Die Betriebsfrequenzen bzw. die Sendefrequenzen der ausgestrahlten Mikro- bzw. Millimeterwellen können im Bereich von 70 GHz bis über 80 GHz liegen. Zwar wird durch die Antennencluster 120 eine ausgedünnte Apertur realisiert, dennoch kann das in
Eine Verarbeitungseinheit 110 dient der Ansteuerung der Antennen 104, 106 und der Bestimmung einer Abbildung des Objekts basierend auf Signalen, welche die von den Empfangsantennen 106 empfangene Strahlung repräsentieren. Zur Erzielung einer geeigneten lateralen Auflösung ist die Verarbeitungseinheit 110 zu einer sender- und empfangsseitigen synthetischen Fokussierung ausgebildet, insbesondere können die Empfangsantennen mittels DBF („Digital Beamforming“) virtuell bspw. auf bestimmte Punkte am Objekt bzw. im Objektbereich 108 fokussiert werden. Eine gewünschte axiale Auflösung (d.h. in Richtung der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle) wird durch geeignete SFCW(„Stepped Frequency Continuous Wave“)-Verfahren erzielt.A
Die Antennen 104, 106 können in einem erfindungsgemäßen multistatischen Modus betrieben werden. Insbesondere senden in einem solchen Modus mehrere Sendeantennen 104 gleichzeitig, wobei die reflektierten Signale von einer Vielzahl der Empfangsantennen 106 empfangen werden.The
In
Bei der in
Ein Betriebsverfahren des Systems 100 und insbesondere der Verarbeitungseinheit 110 wird nachfolgend anhand des Flussdiagramms der
In Schritt 402 steuert die Verarbeitungseinheit 110, bspw. die Backend-Komponente 304, mehrere Sendeantennen 104 so an, dass diese simultan (simultan, zeitgleich) Millimeterwellenstrahlung bzw. -signale zur Objektausleuchtung aussenden. Hierbei sendet jede der angesteuerten Sendeantennen 104 auf einer individuellen Sendefrequenz, die sich von der Sendefrequenz oder den Sendefrequenzen der anderen, parallel sendenden Antennen unterscheidet. Die Sendefrequenzen der parallel sendenden Antennen sind so gewählt, dass die darauf gesendeten Sendesignale zueinander orthogonal sind. Dies wird weiter unten im Detail erläutert.In
Zur parallelen Ansteuerung der Antennen 104 gibt die Backend-Komponente 304 ein entsprechendes Steuersignal an einen Signalgenerator SigGen 308, der Hochfrequenzsignale bzw. RF(„Radio Frequency“)-Signale über eine entsprechende Mehrzahl von Verstärkern 310 an das Antennenarray 302 gibt. Im Beispiel der
In Schritt 404 werden vom Objekt reflektierte Signale durch die Empfangsantennen 106 empfangen. Entsprechend den simultan ausgesendeten, zueinander orthogonalen Sendesignalen umfassen die Reflektionen simultan empfangene, zueinander orthogonale Empfangssignale (die unterschiedlichen Signallaufwege bzw. -zeiten werden hier vernachlässigt). Eine Umsetzung auf eine Zwischenfrequenz ZF kann bereits am Antennenarray 302 erfolgen, bspw. es kann jedes Modul 120 eine eigene Komponente zur ZF-Umsetzung enthalten. Die ZF-Empfangssignale aller Antennenmodule 120 bzw. aller Empfangsantennen 106 können dann parallel ausgelesen und an das Backend 304 übertragen werden 312. Alternativ kann eine ZF-Umsetzung auch erst im Backend erfolgen.In
Die Backend-Komponente 304 erhält 312 die parallelen Mehrton-Messdaten auf der Zwischenfrequenz ZF und führt eine Analog-Digital-Konvertierung (ADC, „Analog Digital Conversion“) in einer Unterkomponente 314 durch. Beispielsweise kann eine Digitalwandlung für alle Kanäle eines Antennenclusters oder aller Cluster durch entsprechende HW parallel erfolgen. Alternativ kann eine ADC auch bereits am Antennenarray 302 durchgeführt werden.The
In einer Unterkomponente 316 im Backend wird basierend auf den orthogonalen Eigenschaften der empfangenen Signale eine Signaltrennung SigSep („signal separation“) durchgeführt. Auch diese wird weiter unten im Detail diskutiert. Wie durch die Pfeile 318 angedeutet werden die getrennten Signale dann separat der Bildgewinnung ImgRec („image reconstruction“) in Komponente 306 zugeführt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein einheitlicher Datensatz an die Komponente 306 übergeben werden.In a sub-component 316 in the backend, signal separation SigSep (“signal separation”) is carried out based on the orthogonal properties of the received signals. This is also discussed in detail below. As indicated by the
In Schritt 406 bestimmt die Komponente 306 basierend auf dem übermittelten Datensatz 318 eine Abbildung des Objekts, das sich im Ausleuchtungsbereich 108 (
Um für die Bildrekonstruktion die gewünschte laterale wie axiale Auflösung zu erreichen, kann jede Empfangsantenne 106 gegen jede sendende Sendeantenne 104 bei allen Frequenzpunkten, d.h. bei allen verwendeten Sendefrequenzen, vermessen werden. Weil mehrere Sendeantennen 104 parallel senden und entsprechende Signale empfangen und verarbeitet werden, kann ein Messzeitgewinn gegenüber einer strikt sequentiellen Aktivierung der Sendeantennen realisiert werden, bei der jeweils nur genau eine der Sendeantennen sendet. Erfindungsgemäß kann dies basierend auf der parallelen, d.h. zeitgleichen Aussendung orthogonaler Sendesignale erfolgen, ohne dass hierfür gegenüber einer sequentiellen Ausleuchtung eine wesentlich komplexere Hardware-Konfiguration an den Empfangsantennen bzw. den Antennenclustern, im Backend, oder bei der Bildrekonstruktion erforderlich ist.In order to achieve the desired lateral and axial resolution for the image reconstruction, each receiving
Eine beispielhafte Bildrekonstruktion kann auf einen spezialisierten Zweiton- oder allg. Mehrton-Algorithmus zurückgreifen. Alternativ können mithilfe eines Einton-Rekonstruktionsalgorithmus aus den getrennten Signalanteilen der verschiedenen Sendergruppen auch Teilbilder erstellt werden. Die Teilbilder sind ggf. getrennt zu kalibrieren. Allerdings kann die Messdatenaufnahme zur Freiraummessung und/oder Reflektormessung für die Kalibration mit allen Sendergruppen und simultan gesendeten orthogonalen Signalen durchgeführt werden, d.h. es sind keine separaten Messdatenaufnahmen für die Kalibrierung der Teilbilder erforderlich. Ggf. kann auch die Kalibration der Rohdaten basierend auf einem einzigen, vollständigen Datensatz erfolgen, d.h. dem Datensatz, der alle Messdaten aller Sendergruppen bzw. Frequenzpunkte der unterschiedlichen Frequenzvektoren umfasst. Eine Trennung der Messdaten muss erst an der Stelle im Prozess erfolgen, an der kein Zweiton-Rekonstruktionsalgorithmus mehr vorliegt, bspw. bei der Übergabe der kalibrierten bzw. korrigierten Messdaten an die Teilrekonstruktion der Teilbilder.An exemplary image reconstruction can use a specialized two-tone or general multi-tone algorithm. Alternatively, partial images can also be created from the separate signal components of the various transmitter groups using a single-tone reconstruction algorithm. If necessary, the partial images are to be calibrated separately. However, the measurement data for the free space measurement and/or reflector measurement for the calibration can be carried out with all transmitter groups and orthogonal signals transmitted simultaneously, i.e. no separate measurement data recordings are required for the calibration of the partial images. If necessary, the raw data can also be calibrated based on a single, complete data set, i.e. the data set that includes all measurement data of all transmitter groups or frequency points of the different frequency vectors. The measurement data must only be separated at the point in the process where there is no longer a two-tone reconstruction algorithm, for example when the calibrated or corrected measurement data is transferred to the partial reconstruction of the partial images.
Die kalibrierten Teilbilder sind dann zum Erhalt eines Gesamtbildes kohärent zu addieren. Der Frequenzversatz zwischen den Sendergruppen kann so gering gewählt sein, dass sich die Bildeigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Abbildungsverfahren mit nur einem Frequenzvektor nur unwesentlich ändern. Der Frequenzversatz wird unten im Detail diskutiert.The calibrated partial images are then to be added coherently to obtain an overall image. The frequency offset between the transmitter groups can be chosen so small that the image properties change only insignificantly compared to conventional imaging methods with only one frequency vector. The frequency offset is discussed in detail below.
Bei der Bildrekonstruktion in der Komponente 306 gemäß
Bei einem herkömmlichen, strikt sequentiellen Messvorgang würden für eine gegebene Messfrequenz die Sendeantennen 104 eine nach der anderen aktiviert werden, bspw. beginnend mit der Sendeantenne in Reihe 502 ganz unten über die weiteren Sendeantennen in der Reihe 502 nach oben, fortfahrend mit der Sendeantenne in Reihe 504 ganz unten über die weiteren Sendeantennen in der Reihe 504 bis zu der letzten Sendeantenne in Reihe 504 ganz oben. Währenddessen wären alle Empfangsantennen der Reihen 506, 508 unabhängig davon aktiv, welche der Sendeantennen momentan sendet.In a conventional, strictly sequential measurement process, for a given measurement frequency, the transmit
Gemäß der schematischen Darstellung in
Die Antennen in der Reihe 502 werden dabei zur Aussendung von Signalen bspw. mit einer Frequenz f_100 angeregt, die Antennen in der Reihe 504 zur Aussendung von Signalen mit einer Frequenz f_200. Die Frequenzen f_100 und f_200 sind dabei so gewählt, dass die entsprechenden Sendesignale orthogonal zueinander sind. Zu einem beliebigen Sendezeitpunkt sind immer nur eine Antenne der Reihe 502 auf der Frequenz f_100 und eine Antenne der Reihe 504 auf der Frequenz f_200 aktiv, d.h. es gilt hier wie auch für andere Ausführungsbeispiele, dass alle zeitgleich ausgesendeten Signale orthogonal zueinander stehen, und daher durch geeignet darauf basierende Signalverarbeitung effizient getrennt werden können. Konkrete Beispiele für die Verwirklichung der Orthogonalitätsbedingung werden weiter unten im Zusammenhang mit der digitalen Signaltrennung der entsprechenden reflektierten Signale diskutiert.The antennas in
Die zeitgleiche Aussendung und der parallele Empfang von Messsignalen erlaubt es, einen Messzeitgewinn zu realisieren, ohne dass es hierdurch zu Einbußen bei der Bildrekonstruktion kommt, etwa in Bezug auf eine axiale und/oder laterale Bildauflösung. Nach Aufnahme der Messwerte wird simultan zu der jeweils nächsten Senderantenne jeder Gruppe umgeschaltet.The simultaneous transmission and parallel reception of measurement signals makes it possible to save measurement time without resulting in losses in the image reconstruction, for example with regard to an axial and/or lateral image resolution. After the measured values have been recorded, a switch is made simultaneously to the next transmitter antenna in each group.
Alle oder einige der Empfangsantennen 106 können zur Messwertaufnahme permanent aktiv sein; insbesondere ist die Aktivierung der Empfangsantennen 106 unabhängig vom Ansteuerungsmechanismus für die Sendeantennen 104. Mögliche Abweichungen von der dauerhaften Aktivierung der Empfangsantennen, bspw. aufgrund von DBF-Mechanismen, der Maskierung einzelner Messwerte, etc. werden im Übrigen im Rahmen dieser Anmeldung außer Acht gelassen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen werden DBF-Mechanismen sowie weitere Verfahren zur Bildrekonstruktion einschließlich möglicher Maskierungen von Datenpunkten nur während der Nachverarbeitung der Messdaten angewendet, so dass die Empfangsantennen während eines Empfangszeitraums zur Messdatenaufnahme ausnahmslos zu jedem Zeitpunkt aktiv sind.All or some of the receiving
Zur Erzielung einer geeigneten axialen Auflösung sendet jede Sendeantenne zeitlich nacheinander auf einer Mehrzahl unterschiedlicher Sendefrequenzen. Ein entsprechender Frequenzvektor Vf_1 für die Sendeantennen der Reihe 502 kann bspw. 64 Frequenzen f_100 - f 163 vorgeben. Ein Frequenzvektor Vf_2 für die Sendeantennen in der Reihe 504 kann bspw. 64 Frequenzen f_200 - f_263 vorgeben, wobei alle 128 Frequenzen f_100, f-101, ..., f_163, f_200, f_201, ... f 263 sich voneinander unterscheiden können, aber nicht zwingend müssen. Notwendig ist lediglich, dass sich in den Paarungen der zeitgleich ausgesendeten Frequenzen, z.B. (f_100, f_200), ... , (f_163, f_263) die Sendefrequenzen unterscheiden, und zwar derart, dass die Frequenzen jeder dieser Paarungen untereinander orthogonal sind.In order to achieve a suitable axial resolution, each transmission antenna transmits at a plurality of different transmission frequencies one after the other. A corresponding frequency vector Vf_1 for the transmitting antennas of the
Bei einem herkömmlichen, strikt sequentiellen Messverfahren würde jede der z.B. 96 Sendeantennen des Clusters 120 auf 64 Messfrequenzen senden, d.h. es gäbe 6144 Sende- bzw. Empfangszeitpunkte zur Erzielung von 6144 Messergebnissen. Bei einer Sendergruppierung wie in
Aus dieser Betrachtung ergibt sich bereits ein durch parallele Messungen erzielbarer Messzeitgewinn um einen Faktor 2. Allerdings ist die Voraussetzung hierfür, dass die reflektierten parallelen Signale auch empfangen werden können, d.h. von der nachgeschalteten Signalverarbeitung getrennt werden können. Die Signaltrennung wird weiter unten im Detail diskutiert, insbesondere in Bezug auf die Anforderung, dass die Komplexität der Signalverarbeitung nicht wesentlich höher sein sollte als bei einem strikt sequentiellem Messvorgang. In Bezug auf das hier anhand von
Bei der Sendergruppierung gemäß
Es können auch mehr als zwei Sendergruppen gebildet werden. So könnte eine erste Sendergruppe die Sendeantennen der unteren Hälfte von Reihe 502 umfassen, eine zweite Sendergruppe die Sendeantennen der oberen Hälfte von Reihe 502, eine dritte Sendergruppe die Sendeantennen der unteren Hälfte von Reihe 504, und eine vierte Sendergruppe die Sendeantennen der oberen Hälfte von Reihe 504. Zu jedem Sendezeitpunkt würde jeweils eine Antenne der vier Gruppen senden, wobei bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel jedes von vier zeitgleich ausgesendeten Sendesignalen orthogonal zu den drei anderen Signalen ist. Wie an anderer Stelle ausführlich diskutiert, steigt die Messgeschwindigkeit aufgrund von Messzeitgewinnen mit einer steigenden Anzahl an Sendergruppen.More than two transmitter groups can also be formed. Thus, a first group of transmitters could include the transmitter antennas of the lower half of
Umfasst ein System eine Mehrzahl von Antennenclustern, so wie etwa das System 100 aus
Alle Sendeantennen des Systems 600 sind einem von zwei Gruppen 604, 606 zugeordnet. Die Gruppe 604 enthält die Sendeantennen der oberen 8 Cluster 602, die Gruppe 606 enthält die Sendeantennen der unteren 8 Cluster 602. Somit sind hier, anders als bei dem anhand von
Bei einem Messvorgang wird jeweils zeitgleich eine der Sendeantennen der Gruppe 604 und eine der Sendeantennen der Gruppe 606 aktiviert. Die Reihenfolge der Aktivierung in jeder Gruppe wird durch die Pfeile 608, 610 veranschaulicht. Bezogen auf jede der Gruppen 604, 606 werden zeitlich nacheinander zunächst die Sendeantennen des jeweils unten links gelegenen Clusters 612 bzw. 614 aktiviert, gefolgt von den Sendeantennen der weiteren zu der jeweiligen Gruppe gehörenden Cluster 602 in einer Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn wie durch die Pfeile 608, 610 angedeutet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt könnte z.B. der Cluster 616 der Gruppe 604 und parallel dazu der Cluster 618 der Gruppe 606 aktiviert sein, wie durch die mit einer gestrichelten Box versehenen Cluster 616, 618 angedeutet.During a measurement process, one of the transmitting antennas in
Innerhalb eines Clusters 602 können die Sendeantennen nach einem Schema aktiviert werden wie dies durch die Pfeile 620 und 622 für die Cluster 612 bzw. 614 angedeutet ist.Within a
Jeder der beiden Gruppen 604, 606 ist ein eigener Frequenzvektor Vf_1, Vf_2 zugeordnet. Entsprechend werden zeitgleiche Sendesignale jeweils auf Sendefrequenzen f_100 und f_200 derart ausgesendet, dass das Sendesignal der Gruppe 604 zu dem der Gruppe 606 jeweils orthogonal ist. Beispiele für die spektrale Belegung durch die Sendergruppen 604, 606 werden weiter unten beschrieben.Each of the two
Nachfolgend werden Beispiele für parallele Aktivierungsmuster der Gruppen 604 und 606 geschildert. So kann ein Messvorgang damit beginnen, dass die Sendeantennen der Gruppe 604 eine nach der anderen ein Sendesignal einer Frequenz f_100 aussenden. Jeweils zeitgleich senden die Sendeantennen der Gruppe 606 eine nach der anderen ein Sendesignal einer Frequenz f_200 aus. Dabei kann als erste die links unten im Cluster 612 bzw. 614 gelegene Sendeantenne senden, während die rechts oben im Cluster 624 bzw. 626 gelegene Sendeantenne zuletzt sendet. Der Durchlauf kann danach mit den weiteren Frequenzpaarungen (f_101, f201), ... wiederholt werden.Examples of parallel activation patterns of
Dadurch dass die Sendergruppen 604 und 606 jeweils geometrisch zusammenhängende bzw. benachbart angeordnete Cluster bzw. Sendeantennen gruppieren, ergibt sich bei der Bildrekonstruktion ein oberes (Gruppe 604) bzw. unteres (Gruppe 606) Teilbild mit einer jeweils entsprechend besseren oder helleren Ausleuchtung im Objektbereich. Werden die Teilbilder geeignet gemeinsam verarbeitet, oder zumindest bei der Bildverarbeitung geeignet (kohärent) addiert, sollten derartige Effekte in einem Gesamtbild jedoch nicht sichtbar sein.Because the
Jeder der vier Gruppen 652, 654, 656, 658 ist ein eigener Frequenzvektor zugeordnet. An einander entsprechenden Positionen innerhalb der vier Vektoren sind jeweils Sendefrequenzen f_100, f_200, f_300 und f_400 derart vorgegeben, dass die zeitgleich ausgesendeten Sendesignale der vier Gruppen zueinander orthogonal sind. Es werden dann zu jedem Messzeitpunkt vier Messpunkte parallel aufgenommen. Beispiele für die spektrale Belegung durch die Signale der Sendergruppen 652 - 658 werden unten beschrieben.Each of the four
Auch die Sendergruppen 652 - 658 gruppieren jeweils geometrisch benachbarte Cluster bzw. Sendeantennen. Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, dass die Gruppen geometrische Teilaperturen definieren, die Gruppen können sich auch durchdringen bzw. überlagern. In jedem Falle werden letztlich mehrere Messabläufe (entsprechend der Zahl der Gruppen) zeitgleich auf einer Gesamtapertur realisiert. Ein Vorteil bei der gemeinsamen Gruppierung geometrisch zusammenhängender Cluster bzw. Antennen kann darin liegen, dass diese mit symmetrischen Aktivierungsmustern belegt werden können wie bei den Beispielen der
Generell gilt, dass sowohl innerhalb wie auch zwischen den Antennenclustern einer Gruppe eine Vielzahl unterschiedlicher Aktivierungsmuster denkbar ist.In general, a large number of different activation patterns are conceivable both within and between the antenna clusters of a group.
Bei den hier geschilderten Ausführungsbeispielen sind die auf einer Gesamtapertur definierten Gruppen gleich groß, d.h. die Gruppen umfassen jeweils die gleiche Anzahl Cluster bzw. Sendeantennen. Für einen effizienten Messvorgang ist eine derartige Gruppierung vorteilhaft, allerdings nicht zwingend notwendig. Sind die Gruppen unterschiedlich groß, wird zu bestimmten Zeitpunkten z.B. statt eines Zweitonsignals nur ein Eintonsignal, oder statt eines Viertonsignals nur ein Drei-, Zwei-, oder Eintonsignal empfangen; es kann jedoch auch bei diesen Konfigurationen ein Messzeitgewinn erzielt werden.In the exemplary embodiments described here, the groups defined on a total aperture are of the same size, i.e. the groups each include the same number of clusters or transmitting antennas. Such a grouping is advantageous for an efficient measurement process, but not absolutely necessary. If the groups are of different sizes, at certain times, for example, only a one-tone signal is received instead of a two-tone signal, or only a three-, two-, or one-tone signal instead of a four-tone signal; however, a gain in measuring time can also be achieved with these configurations.
Der Frequenzvektor Vf_1 der Gruppe 604 definiert eine Folge von 64 Sendefrequenzen f_100, f_101, f_102, etc. Die Sendefrequenzen sind in einem Frequenzbereich zwischen 70 GHz und 80 GHz gleichmäßig, d.h. äquidistant angeordnet; somit haben jeweils aufeinanderfolgende Sendefrequenzen einen Abstand D_f von etwa 160 MHz. Ein derartiger Frequenzvektor ermöglicht eine optimierte axiale Auflösung (SFCW), jedoch müssen Frequenzvektoren keineswegs zwingend äquidistante Frequenzpunkte definieren; erfindungsgemäße Vorteile können auch bei nicht oder nur teilweise äquidistanten Frequenzpunkten realisiert werden. Deckt der Frequenzvektor wie hier eine Messbandbreite von etwa 10 Gigahertz ab, sind axiale Auflösungen im Bereich von ca. 10 Millimetern erreichbar.The frequency vector Vf_1 of the
Der Frequenzvektor Vf_2 der Gruppe 606 definiert ebenfalls eine Folge von 64 Sendefrequenzen f_200, f_201, f_202, etc. Wie aus
Die Frequenzvektoren Vf_1 und Vf_2 sind leicht gegeneinander versetzt, und zwar mit einem Frequenzversatz Δf. Der Frequenzversatz Δf ist so gewählt, dass die Sendefrequenzen der beiden Sendergruppen zu orthogonalen Sendesignalen führen, also dass bspw. die Sendesignale der Sendeantennen der Gruppe 604 mit der Sendefrequenz f_100 orthogonal zu den Sendesignalen der Sendeantennen der Gruppe 606 mit der Sendefrequenz f_200 sind.The frequency vectors Vf_1 and Vf_2 are slightly offset from each other with a frequency offset Δf. The frequency offset Δf is selected in such a way that the transmission frequencies of the two transmitter groups result in orthogonal transmission signals, i.e. the transmission signals from the transmission antennas in
Der Frequenzversatz Δf kann kleiner gewählt werden als der spektrale Abstand D_f der Messpunkte eines Frequenzvektors. Der Grund hierfür wird weiter unten diskutiert. Im vorliegenden Beispiel kann der Frequenzversatz Δf bspw. in einem Bereich zwischen 10 MHz und 50 MHz liegen. Es ergibt sich ein Frequenzraster welches grob dem Muster der Sendefrequenzen entspricht, wie es von einem einzelnen Frequenzvektor vorgegeben wird, wobei jedoch an Häufungspunkten 702, 704, 706 im Spektrum zwei Sendefrequenzen der Gruppen dicht nebeneinander liegen. Werden Sendesignale mit den Frequenzen der Häufungspunkte zeitgleich ausgesendet, ergeben sich während des Messvorgangs also Zweitonsignale mit jeweils den Frequenzpaaren (f_100, f_200), (f_101, f_201), etc.The frequency offset Δf can be selected to be smaller than the spectral distance D_f of the measurement points of a frequency vector. The reason for this is discussed below. In the present example, the frequency offset Δf can be in a range between 10 MHz and 50 MHz, for example. A frequency grid results which roughly corresponds to the pattern of the transmission frequencies, as specified by a single frequency vector, with two transmission frequencies of the groups lying close together at
Die Orthogonalitätsbedingung muss nicht zwingend zwischen den Sendefrequenzen erfüllt sein, die in den beiden Vektoren Vf_1 bzw. Vf_2 die entsprechende Position belegen, d.h. es müssen nicht zwingend die Senderfrequenzen der Häufungspunkte sein, aus denen die orthogonalen Sendersignale hervorgehen; von Bedeutung ist nur, dass zeitgleich ausgesendete Sendersignale der unterschiedlichen Gruppen orthogonal zueinander sind. Jedoch wird in den Beispielen zu Zwecken der Diskussion davon ausgegangen, dass die zeitgleich ausgesendeten Signale jeweils mit den Frequenzen eines der Häufungspunkte ausgesendet werden.The orthogonality condition does not necessarily have to be fulfilled between the transmission frequencies that occupy the corresponding position in the two vectors Vf_1 or Vf_2, i.e. it does not necessarily have to be the transmission frequencies of the accumulation points from which the orthogonal transmission signals result; it is only important that simultaneously transmitted transmitter signals of the different groups are orthogonal to each other. However, in the examples, for purposes of discussion, it is assumed that the signals transmitted at the same time are each transmitted at the frequencies of one of the burst points.
Die Frequenzvektoren Vf_2, Vf_3 und Vf_4 der Gruppen 655, 656, 658 definieren ebenfalls jeweils eine Folge von 64 Sendefrequenzen f_200, f_201, ..., bzw. f_300, ..., bzw. f_400, .... Die Sendefrequenzen der Vektoren Vf_2, Vf_3 und Vf 4 können aus den Sendefrequenzen des Vektors Vf_1 durch einen jeweiligen Frequenzversatz von Δf, 2Δf, bzw. 3Δf abgeleitet werden. Der Wert von Δf kann in den Beispielen der
Allgemein können die Sendefrequenzen von N Frequenzvektoren aus den Sendefrequenzen eines Ausgangsvektors durch einen Frequenzversatz von n * Δf erzeugt werden für n = 0 (Ursprungsvektor), ..., N-1.The frequency vectors Vf_2, Vf_3 and Vf_4 of the
In general, the transmission frequencies of N frequency vectors can be generated from the transmission frequencies of an output vector by a frequency offset of n*Δf for n=0 (original vector), ..., N-1.
Es ist allerdings nicht zwingend erforderlich, dass bei mehr als zwei Frequenzvektoren benachbarte Vektoren um ein- und denselben festen Betrag gegeneinander versetzt sind. So kann etwa einer der vier Frequenzvektoren in
In dem in
Neben der Orthogonalitätsbedingung kann die spektrale Breite B_f der Häufungspunkte, die im Beispiel der
Durch die Belegung der gesamten Messbandbreite mit einem Frequenzraster mit Häufungspunkten, die durch jeweils geringfügig gegeneinander versetzte Frequenzvektoren entstehen, erhöht sich die Anzahl der Messpunkte im Spektrum entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Sendergruppen. Allerdings bleibt insgesamt die Anzahl der gewonnenen Messwerte konstant, weil jede Sendeantenne nur ihren jeweils eigenen Frequenzvektor durchmisst. Der Unterschied zu einem herkömmlichen Messvorgang besteht dann darin, dass an einem gegebenen spektralen Punkt nicht nur mit einer einzigen Messfrequenz, sondern mit mehreren Messfrequenzen gemessen wird, die leicht gegeneinander versetzt sind; also etwa um Δf im Beispiel der
Ein Messzeitgewinn kann deshalb realisiert werden, weil die Messfrequenzen in geeigneter Weise gegeneinander versetzt sind, nämlich so, dass die resultierenden Sendesignale orthogonal sind, somit durch eine geeignete Signalverarbeitung effizient voneinander getrennt werden und daher gleichzeitig ausgesendet werden können. Darüber hinaus kann ein Frequenzversatz zwischen den Vektoren, etwa wie der in den
Eine Signalverarbeitung zur Signaltrennung kann im Digitalteil des Empfängers erfolgen wie in
Es sei lediglich erwähnt, dass OFDM-Verfahren zur Signaltrennung keine steilen Filterfunktionen benötigen, die lange Messzeiten und/oder aufwendige Realisierungen benötigen, was dem Ziel einer möglichst kurzen Messzeit und/oder einer wünschenswert hohen Integrationsdichte entgegenstehen würde.Signal processing for signal separation can take place in the digital part of the receiver as in
It should only be mentioned that OFDM methods for signal separation do not require steep filter functions that require long measurement times and/or complex implementations, which would conflict with the goal of the shortest possible measurement time and/or a desirably high integration density.
Alternativ zu DFT-Verfahren kann auch bspw. in einer Filterbank in einer Reihe paralleler Kanäle jeweils eine digitale Abwärtsmischung mit nachgeschalteter Filterung durchgeführt werden. Als Filter kann hier etwa ein Mittelungsfilter („averaging filter“) verwendet werden.As an alternative to the DFT method, a digital down-conversion with downstream filtering can also be carried out, for example, in a filter bank in a series of parallel channels. An averaging filter can be used here as a filter.
Zur effizienten Messdatenaufnahme sollte eine möglichst kurze Abtastzeit bzw. ein Filter möglichst geringer Ordnung verwendet werden. Die Anzahl N_sample der erforderlichen Abtastwerte („samples“) erhöht sich mit der Zahl N_carrier der Signale oder Träger („carrier“), die zu trennen sind. Für bestimmte Ausführungsbeispiele gilt:
Für die Abtastung von Eintonsignalen sind hier also 4 Abtastwerte erforderlich, für Zweiton- bzw. Viertonsignale sind jedoch 6 bzw. 10 Abtastwerte erforderlich, d.h. die erforderlichen Messzeiten verlängern sich entsprechend. Der Messzeitgewinn durch paralleles Aussenden und Vermessen orthogonaler Signale wird also durch die für die Trennung von Mehrtonsignalen längere Empfangszeit wieder aufgehoben, allerdings nur teilweise. So müssen die Empfangsantennen bei einer typischen Implementierung für Zweitonsignale nur zwei Abtastperioden länger aktiv sein als für Eintonsignale, das entspricht bei einer Abtastfrequenz von f_sample = 100 MHz einer zusätzlichen Abtastzeit von etwa 20 Nanosekunden.4 sampling values are required for the sampling of single-tone signals, but 6 or 10 sampling values are required for two-tone or four-tone signals, i.e. the required measuring times are correspondingly longer. The gain in measurement time through the parallel transmission and measurement of orthogonal signals is thus canceled out again by the longer reception time required for the separation of multi-tone signals, but only partially. In a typical implementation for two-tone signals, the receiving antennas only have to be active two sampling periods longer than for single-tone signals, which corresponds to an additional sampling time of around 20 nanoseconds at a sampling frequency of f_sample=100 MHz.
Soll die mit der Abtastrate f_sample der ADC-Komponente 314 vorgegebene Zwischenfrequenzbandbreite vollständig ausgenutzt werden, so gilt für den bereits weiter oben eingeführten Frequenzversatz:
Es sei beispielhaft der Zusammenhang zwischen Abtastwerten und Zahl der Trägersignale gemäß Glg. (1) sowie eine Abtastrate von f_sample = 100 MHz für die ADC-Komponente 314 angenommen. Für den Zweitonbetrieb der Sendergruppen 604 und 606 aus
Bei einer äquidistanten Belegung des Spektrums zwischen 70 GHz und 80 GHz haben aufeinanderfolgende Sendefrequenzen eines Frequenzvektors (Vf_1 oder Vf_2) einen Abstand D_f = 158,73 MHz. Das nächste Frequenzpaar am Häufungspunkt 704 umfasst folglich die Sendefrequenzen (f_101 = 70,15873 GHz, f_201 = 70,17540 GHz), usw.With an equidistant occupancy of the spectrum between 70 GHz and 80 GHz, consecutive transmission frequencies of a frequency vector (Vf_1 or Vf_2) have a distance D_f = 158.73 MHz. The next frequency pair at the
Für den Viertonbetrieb der
Dieses Spektrum kann bspw. digital herabgemischt werden.
Zur Veranschaulichung ist in
In der spektralen Darstellung der
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung werden die Sendeantennen einer Mikrowellen-Apertur in Sendergruppen aufgeteilt, die auf jeweils leicht gegeneinander versetzten Frequenzen Sendesignale aussenden. Dies ermöglicht es, dass ein Objekt durch die Senderantennen nicht in strikt sequentieller Reihenfolge ausgeleuchtet werden muss, sondern dass mehrere Antennen das Objekt parallel ausleuchten können, von jeder Sendegruppe eine Antenne.In certain embodiments of the invention, the transmission antennas of a microwave aperture are divided into transmitter groups, which emit transmission signals at frequencies that are slightly offset from one another. This means that an object does not have to be illuminated in a strictly sequential order by the transmitter antennas, but that several antennas can illuminate the object in parallel, one antenna from each transmission group.
Werden durch geeignete Wahl des Frequenzversatzes zwischen den Sendergruppen orthogonale Signale ausgesendet, ist eine Signaltrennung der vom Objekt reflektierten Signale auf effiziente Weise möglich. Der Frequenzversatz kann optional so gewählt werden, dass sich auch keine erhöhten oder kaum erhöhte Anforderungen an die Bandbreite der Empfangskanäle ergeben. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich die Komplexität der Hardware für die Signalverarbeitung nur unwesentlich erhöht, was ebenso für den Aufwand und die Kosten einer handhabbaren Integrationsdichte gilt.If orthogonal signals are emitted by a suitable choice of the frequency offset between the transmitter groups, a signal separation of the signals reflected by the object is possible in an efficient manner. The frequency offset can optionally be selected in such a way that none are increased or there are hardly any increased demands on the bandwidth of the receiving channels. In this way it can be achieved that the complexity of the hardware for the signal processing increases only insignificantly, which also applies to the outlay and the costs of a manageable integration density.
In der empfangsseitigen Signalverarbeitung kann eine bestimmte DFT oder eine bestimmte Filterung im Empfangskanal eines der Signale bevorzugen, während die anderen parallelen Signale unterdrückt werden. Wird hierfür ein entsprechender Frequenzversatz der parallelen Sendesignale gewählt, kann auf diese Weise die Orthogonalitätsbedingung realisiert werden.In the signal processing at the receiving end, a certain DFT or a certain filtering in the receiving channel can favor one of the signals while the other parallel signals are suppressed. If a corresponding frequency offset of the parallel transmission signals is selected for this, the orthogonality condition can be realized in this way.
Der Messzeitgewinn gegenüber einer strikt sequentiellen Messung ergibt sich in erster Näherung aus der Anzahl der Sendergruppen, d.h. der parallel ausgesendeten Signale. Allerdings sind zur Signaltrennung längere Empfangszeiten bzw. größere Filterlängen notwendig. Für Zweitonsignale konnten Messzeitgewinne von etwa einem Faktor 1,6 erhalten werden, ohne merkliche Veränderungen bei der Bildqualität unbewegter Objekte. Dies bedeutet, dass wegen der verkürzen Messzeit und der entsprechend verringerten Bewegungsunschärfe sich die Abbildungsqualität bewegter Objekte verbessert. Für Signale mit mehr als zwei Tönen vergrößert sich der Messzeitgewinn weiter; ein Gewinn bspw. bis zu einem Faktor 4 ist denkbar.The gain in measurement time compared to a strictly sequential measurement results in a first approximation from the number of transmitter groups, i.e. the signals transmitted in parallel. However, longer reception times or larger filter lengths are necessary for signal separation. Measurement time gains of about a factor of 1.6 could be obtained for two-tone signals without noticeable changes in the image quality of still objects. This means that the image quality of moving objects is improved due to the shorter measurement time and the correspondingly reduced motion blur. For signals with more than two tones, the gain in measurement time increases further; a profit of up to a factor of 4, for example, is conceivable.
Theoretische Erklärungen durch die Erfindung bewirkter technischer Effekte sollen den Geltungsbereich der Erfindung nicht einschränken. Auch ist die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. Insbesondere sind dem Fachmann bestimmte Kombinationen von vorstehend separat beschriebenen Merkmalen als zweckmäßig oder vorteilhaft ersichtlich.Theoretical explanations of technical effects brought about by the invention are not intended to limit the scope of the invention. The invention is also not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein; on the contrary, within the scope indicated by the appended claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of actions of a person skilled in the art. In particular, certain combinations of features described separately above are evident to the person skilled in the art as expedient or advantageous.
Claims (12)
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Non-Patent Citations (1)
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| YANG, Jungang [et al.]: Synthetic aperture radar imaging using stepped frequency waveform. In: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 50, 2012, No. 5, S. 2026-2036. – ISSN 0196-2892 |
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