DE60304912T2

DE60304912T2 - Vorrichtung und Methode zur Detektion von Objekten

Info

Publication number: DE60304912T2
Application number: DE60304912T
Authority: DE
Inventors: Qinetiq Limited Neil Salmon
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: EP1338902A1; EP1338902B1; GB0204167D0; US20030163042A1; DE60304912D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Objekterfassung und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts. Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich die Anwendung der Radiometrie bei der Objekterfassung.
Die Erfassung von verborgenen Objekten, die sich z. B. unter der Kleidung befinden oder im Erdboden vergraben sind, ist auf verschiedenen Gebieten wichtig, wie etwa die Flughafensicherheit, z. B. bei der Erfassung von Sprengstoffen, und die Suche nach vermissten Personen, die archäologischen Ausgrabungen und die Suche nach Ruinen, die Schatzsuche und das Lokalisieren von vergrabenen Rohrleitungen und Kabeln.
Eine der gegenwärtigen Techniken für die Erfassung von Objekten, die unter dem Erdboden oder in der Erde verborgen sind, verwendet ein Erdbodenuntersuchungsradar (GPR), um das Objekt zu erfassen. Bei diesem besteht jedoch das Problem, dass es schwierig sein kann, Radarreflexionen von einem Objekt mit einem geringen Radarquerschnitt, die z. B. aus einem Kunststoff hergestellt sind, von Stördaten sowie außerdem von den starken Reflexionen infolge der oberen Oberfläche des Erdbodens zu unterscheiden.
Radarsysteme leiden außerdem unter der Forderung nach einer kohärenten Quelle und der Notwendigkeit einer Frequenzwobbelung. Das ist kostenaufwändig und kann sich als schwierig erweisen, wenn eine unauffällige versteckte Erfassung gefordert wird. Es ist verhältnismäßig einfach kohärente Quellen zu erfassen, da sie in der Natur nicht häufig vorkommen. Radarsysteme besitzen außerdem Ausgangsleistungen im Bereich von Milliwatt (mW) bis Megawatt (MW), wodurch sie leicht erfasst werden können, verwenden Leistung mit erheblichen Pegeln und erzeugen Elektrosmog.
Radarsysteme beruhen außerdem auf einer komplexen Schalttechnik und zeitgesteuerten Technologien, die komplizierte Betriebs- und Wartungsanforderungen zur Folge haben. Die komplizierten Technologien, die mit Radarsystemen verbunden sind, bedeuten, dass die Bandbreite von Radarquellen begrenzt ist und dass deswegen die räumliche Auflösung der Radartechnologien ebenfalls begrenzt ist.
Viele Radarsysteme senden ein kohärentes Signal aus, wobei gleichzeitig Frequenzspringen und Frequenzverschachtelung ausgeführt werden, damit es wie Rauschen erscheint, und erfassen die reflektierte Strahlung.
Die passive Millimeterwellen-Radiometrie ist bei der Erfassung von Objekten in einer Szene verwendet worden, wobei der Kontrast bei den Strahlungstemperaturen zwischen dem Objekt und seiner Umgebung bei einer Beleuchtung durch eine natürliche Quelle, z. B. Sonnenstrahlung oder Hintergrundwärmestrahlung verwendet wird. Sie ist außerdem zur Verwendung beim Erfassen verborgener (z. B. vergrabener oder durch Vegetation verdeckter) Objekte vorgeschlagen worden. Diese Technik ist in ihrer Tiefenempfindlichkeit auf etwa 2 cm begrenzt und leidet außerdem an einem geringen Störabstand (der bei einigen Beispielen z. B. etwa 0,35 beträgt).
Beispiele der Testergebnisse zur Erfassung verdeckter Objekte durch passive Millimeterwellen können in den Veröffentlichungen der SPIE Aerosense Conference von 1998 und 1999 gefunden werden, die von N. A. Salmon bzw. von N. A. Salmon, S. Price und J. Borrill verfasst wurden.
Auf dem Gebiet der Flughafensicherheit wurde eine starke Betonung auf die Erfassung von Waffen und Sprengstoffen gelegt, um terroristische Angriffe zu verhindern. Die gegenwärtige Technik zum Erfassen von Sprengstoffen enthält die Verwendung von "Schnüffel"-Sensoren zum Prüfen der Luft, um flüchtige Komponenten eines Sprengstoffs zu erfassen. Sie ist dahingehend beschränkt, da sie in die Privatsphäre eingreift und keine Vorstellung über die Größe und Form der Vorrichtung, die erfasst wurde, vermittelt. Vorrichtungen, die ein Magnetfeld erfassen, werden außerdem bei der Flughafensicherheit verwendet, um metallische Waffen zu erfassen.
Ein weiterer Bereich, bei dem das Sehen durch Gegenstände sehr nützlich ist, sind Allwetter/Schlechtwetter-Bilderzeugungssysteme, z. B. beim Fliegen. Das besitzt eine besondere Relevanz für Hubschrauber, die infolge der stark zerklüfteten Umgebung, in der sie operieren, und Schwierigkeiten bei der Interpretation von Radarreflexionen auf Grund der außergewöhnlichen Flugbahnen von Hubschraubern keinen Radar verwenden.
Das Erfassen von Kabeln oder Rohrleitungen unter der Erde kann schwierig sein, wenn sie nicht metallisch sind (z. B. Kunststoffrohre, Betonrohre, Lichtleiterkabel).
Medizinische Bilderzeugungssysteme, die sichtbare und infrarote Strahlung verwenden, sind bekannt, wobei die Quellenintensitäten hoch sind und die Detektortechnologien gut entwickelt sind. Sie besitzen eine eingeschränkte Verwendungsmöglichkeit für die Fremdkörpererfassung, da eine Rayleigh-Streuung vom Körpergewebe sehr groß ist und es deswegen sehr komplex und schwierig ist, räumliche Informationen von derartigen Systemen zu erhalten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Vorrichtung zur Objekterfassung zu schaffen, die wenigstens in einigen Ausführungsformen wenigstens eines der oben erwähnten Probleme oder einen der oben erwähnten Nachteile wenigstens teilweise verbessert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Objekterfassung zu schaffen, das wenigstens in einigen Ausführungsformen wenigstens eines der oben erwähnten Probleme oder einen der oben erwähnten Nachteile wenigstens teilweise verbessert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Objekterfassung geschaffen, die eine Erfassungsanordnung umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung ferner eine Strahlungsquelle umfasst, die so beschaffen ist, dass sie wärmeähnliche Strahlung in dem Frequenzbereich in der Größenordnung von mindestens 1 GHz bis 1000 GHz aussendet; und dass die Erfassungsanordnung Abstimmungsmittel umfasst, um die Kohärenzlänge, die der Erfassungsanordnung zugeordnet ist, zu ändern, wobei die Erfassungsanordnung so beschaffen ist, dass sie Strahlung erfasst, die von der Quelle ausgesendet und von einem Hohlraum reflektiert wurde, der durch zwei Oberflächen oder Grenzflächen definiert ist, die um eine Strecke beabstandet sind, die kleiner als die Kohärenzlänge ist, wobei wenigstens eine Oberfläche des Hohlraums durch eine Oberfläche des Objekts definiert ist und wobei das Objekt durch die Verarbeitung der Frequenzantwort des Hohlraums erfasst wird, wenn dieser durch die Erfassungsanord nung erfasst wird.
Die Erfassungsanordnung besitzt vorzugsweise einen Emitter der Strahlung. Der Emitter kann im Allgemeinen an der gleichen Position wie die Einspeisung der Erfassungsanordnung oder alternativ seitlich beabstandet von der Einspeisung der Erfassungsanordnung vorgesehen sein. Der Emitter muss kein Bestandteil der Erfassungsvorrichtung sein, er könnte jedoch entnehmbar (oder davon beabstandbar) oder ein separates Element sein.
Es wird anerkannt, dass der Hohlraum nicht hohl sein muss, sondern massiv oder hohl sein kann und ein Objekt definieren kann. Das Objekt kann ein Gegenstand sein, der im Erdboden oder unter der Erdoberfläche vergraben ist oder sich unter der Oberfläche irgendeines Planeten befindet.
Der Tuner ist vorzugsweise so beschaffen, dass er einen Bandpassbereich von Frequenzen ändert.
Die Strahlungsquelle kann polychromatisch sein. Die Strahlungsquelle kann der Erfassungsvorrichtung zugeordnet sein und kann ein Teil der Erfassungsvorrichtung sein. Die Strahlungsquelle kann der Erfassungsanordnung zugeordnet sein. Wenn die Strahlungsquelle der Erfassungsvorrichtung zugeordnet ist, kann sie ein Radiometer für spektrale Strahlung sein. Die Strahlungsquelle kann ein Teil der Schaltungsanordnung der Erfassungsvorrichtung sein. Die Strahlungsquelle kann ein Verstärker oder alternativ ein Widerstand sein. Die Strahlungsquelle kann Wärmestrahlung aussenden. Die Strahlung kann in einer der s-, p- oder Kreispolarisationen polarisiert sein. Die Strahlungsquelle kann einen Ausgang in einem Bereich besitzen, der im Allgemeinen eine Frequenz auf irgendeiner der folgenden Frequenzen oder zwischen einem beliebigen Paar der folgenden Frequenzen besitzt: > 1 THz, 1 THz, 500 GHz, 100 GHz, 94 GHz, 90 GHz, 75 GHz, 50 GHz, 40 GHz, 35 GHz, 30 GHz, 10 GHz, 3 GHz, 1 GHz, < 1 GHz. Strahlung bei diesen Frequenzen hat den Vorteil, dass viele Werkstoffe für sie effektiv durchlässig sind, wie z. B. Kleidung, wohingegen sie bei anderen Werkstoffen, wie z. B. Erde und Beton, eine bedeutende Eindringtiefe besitzt.
Die Strahlungsquelle kann alternativ eine natürliche Strahlungsquelle, wie z. B. die Sonne oder der Himmel, sein. Da sowohl der Taghimmel als auch der Nachthimmel strahlen, wird bei der Objekterfassung die Tageszeit bei einer Szene mit Millimeter/Zentimeter-Strahlung irrelevant.
Die Erfassungsanordnung kann einen einzelnen Sensor oder eine Anordnung aus Sensoren umfassen. Die Erfassungsanordnung kann eine Einspeisung enthalten. Die Erfassungsanordnung kann ein Radiometer sein. Das Radiometer kann mehrere Sensoren enthalten, die einzelne Datenkanäle bilden können. Die Sensoren können ein konisches Gesichtfeld besitzen.
Die Erfassungsanordnung kann zugehörige Verstärkungsmittel aufweisen. Die Verstärkungsmittel können im Betrieb Breitbandrauschen aussenden. Das Breitbandrauschen kann thermisches Rauschen oder Johnson-ähnliches Rauschen sein. Das Breitbandrauschen kann die Erfassungsanordnung verlassen und im Betrieb ein Erfassungsvolumen beleuchten bzw. bestrahlen. Es kann z. B. eine Einspeisung der Erfassungsanordnung oder ein Horn vorhanden sein, wobei die ausgesendete Strahlung das Horn verlassen kann und erfasste Strahlung darin eintreten kann. Der Verstärker kann im Betrieb als eine Strahlungsquelle wirken. Das hat den Vorteil der Erhöhung der Strahlungspegel, damit bei der Erfassung eines Objekts ein verbesserter Signalabstand erreicht werden kann. Alle Kanäle können den gleichen Verstärker haben oder sie können separate Verstärker haben.
Die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle liegt typischerweise im Bereich von 100 pW bis 1 nW. Das ist ein Pegel, der mit Hintergrundstrahlungspegeln vergleichbar ist, und ist deswegen schwer zu erfassen. Die Strahlungsquelle kann eine Strahlungstemperatur im Bereich zwischen zwei beliebigen Werten der folgenden Werte besitzen: < 50 K, 50 K, 100 K, 200 K, 300 K, 400 K, 500 K, 600 K, 700 K, 750 K oder > 750 K. Eine Strahlungsquelle mit einer größeren Strahlungsleistung als die oben aufgeführten Leistungen kann verwendet werden, wobei jedoch höhere Leistungspegel für die meisten Anwendungen infolge geringer Hohlraumverluste typischerweise nicht erforderlich sind.
Die Abstimmungsmittel können eine elektronische Schaltung sein. Die Abstimmungsmittel können eine digitale Abtastvorrichtung, z. B. einen schnellen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) enthalten. Die Abstimmungsmittel können alternativ schaltbare Filter, z. B. Filterbänke verwenden. Die Abstimmungsmittel können Analysatoren für akustische Oberflächenwellen oder Spektralanalysatoren verwenden. Die Abstimmungsmittel können die Bandbreite der Erfassungsanordnung ändern.
Die Änderung der Bandbreite der Erfassungsanordnung kann die scheinbare Kohärenz der gestreuten Strahlung, die durch die Erfas sungsanordnung erfasst wird, ändern. Die Änderung der Bandbreite der Erfassungsanordnung kann die Kohärenzlänge ändern, die der Erfassungsanordnung zugeordnet ist. Es kann eine Mehrkanal-Erfassungsanordnung vorgesehen sein, wobei jeder einzelne Kanal eine individuelle zugehörige Kohärenzlänge besitzt. Die Kohärenzlänge kann durch die spektrale Breite jedes Kanals des Spektralempfängers der Erfassungsanordnung definiert sein. Die Kohärenzlänge kann die Größe des Hohlraums, der bei einer stehenden Welle aktiv ist, definieren. Die Bandbreite kann in einem Bereich zwischen zwei beliebigen Werten der folgenden Werte liegen: < 3 MHz, 3 MHz, 50 MHz, 100 MHz, 300 MHz, 500 MHz oder 1 GHz oder > 1 GHz. Durch Änderung der Bandbreite der Erfassungsanordnung wird lediglich Strahlung in der Durchlass-Bandbreite wahlweise gegenüber anderen Frequenzen, die vorhanden sein können, verstärkt, deshalb sucht die Vorrichtung effektiv nach Strahlung, die eine bestimmte Frequenz besitzt.
Die Vorrichtung kann das Objekt abbilden. Das Bild kann ein Echtzeit-Bild sein.
Die gesamte Bandbreite kann gleichzeitig abgetastet werden. Eine derartige gleichzeitige Abtastung der gesamten Bandbreite kann die erforderlichen Integrationszeiten gegenüber vorhandenen Systemen verringern.
Die von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlung kann bewirken, dass mehrere stehende Wellen in dem Hohlraum gebildet werden. Die von der Quelle ausgesendete Strahlung kann eine Frequenz unter 8 GHz besitzen.
Die beiden Oberflächen können Oberflächen von beliebigen zwei Objekten aus dem Folgenden sein: Luft, Vakuum, Metall, Kunststoff (einschließlich alle künstlich geschaffene polymeren Werkstoffe), Holz, Erde, Sand, Asphalt, Beton, Kleidung, Papierverbundwerkstoffe oder ein Fluid oder eine Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen.
Die Erfassungsanordnung kann so beschaffen sein, dass sie eine lineare Polarisation vorzugsweise als eine Funktion des Winkels erfasst. Dadurch können Konfigurationsinformationen des Objekts erhalten werden, wenn z. B. eine im Wesentlichen oder vollständig räumlich inkohärente Strahlung verwendet wird, um es zu beleuchten. Alternativ kann ein Bilderzeugungspolarimeter verwendet werden, um den vollen Stokes-Vektor der Strahlung zu messen.
Die Erfassungsanordnung kann geeignet sein, um linksdrehend oder rechtsdrehend kreispolarisierte Strahlung zu erfassen. Wenn das Objekt mit kreispolarisierter Strahlung beleuchtet wird, können Konfigurationsinformationen erhalten werden, wie z. B. dann, wenn ein Objekt in einer Richtung lang ist und in einer anderen Richtung kurz/schmal ist, wie z. B. eine Leitung. Nicht polarisierte Strahlung kann von einem Objekt bei teilweise linearer Polarisation reflektiert werden.
Das Objekt kann im Erdboden vergraben sein. Es kann alternativ unter der Kleidung oder im menschlichen Körper verborgen sein. Das Objekt kann durch Wolken oder andere natürliche Phänomene bedeckt sein. Das Objekt kann sich sogar in einem von der Erfassungsanordnung getrennten Raum oder Gebäude befinden. Das wird durch die Durchdringungsfähigkeit der Millimeter/Zentimeterwellen- Strahlung durch Werkstoffe ermöglicht.
Das Objekt kann Sprengstoffe enthalten. Das Objekt kann vorwiegend aus nicht metallischen Werkstoffen (z. B. Kunststoffen) hergestellt sein. Das Objekt kann Schmuggelware, z. B. Drogen oder Waffen enthalten. Das Objekt kann ein Leitungsdraht sein.
Das Objekt kann ein Fremdkörper in einer Wunde sein. Es können Mittel vorgesehen sein, um das Objekt darzustellen. Das Entfernen von Glas- oder Kunststoffbruchstücken aus einer Wunde ist nicht einfach, da sie möglicherweise kaum zu sehen sind.
Es kann eine Unterscheidungseinrichtung vorgesehen sein, um zwischen metallischen und nicht metallischen Objekten zu unterscheiden und um zwischen unterschiedlichen, nicht metallischen Objekten zu unterscheiden, z. B. auf dem Gebiet der Kollisionsvermeidung. Die Unterscheidungseinrichtung kann ein variables polarisierbares Filter sein. Die Position der Unterscheidungseinrichtung kann relativ zu einem Fahrzeug, auf dem es angebracht ist, beibehalten werden. Die Vorrichtung kann eingebaut sein oder einen Sicherheitssensor bilden, z. B. auf einem Flughafen.
Die Vorrichtung kann verwendet werden, um die reellen und komplexen Komponenten der relativen Dielektrizitätskonstante des Objekts zu messen. Die Messung kann die Unterscheidung von unterschiedlichen Werkstofftypen ermöglichen, z. B. ändert sich die dielektrische Konstante von Erdboden von (2,6; 0,02) für vollständig trockene Erde bis (22; 5) für feuchtigkeitsgesättigte Erde. Kunststoffe besitzen typische dielektrische Konstanten im Bereich von (2,6–3,6; < 0,1). Metalle besitzen eine typische dielektrische Konstante von (1; 10⁶), was sie im GHz-Bereich zu nahezu perfekten Reflektoren macht.
Die Verwendung von zwei voneinander beabstandeten Strahlungsquellen mit der gleichen Frequenz zum Beleuchten des Objekts kann Interferenzstreifen auf einem Objekt erzeugen. Das würde die Erfassung von Objekten ermöglichen, die z. B. unter der Kleidung verborgen sind. Die Position der Streifen kann die Form und/oder die räumliche Ausdehnung des verborgenen Objekts angeben. Die Position der Streifen kann die Erfassung von Sprengstoffen ermöglichen.
Die Erfassungsanordnung kann direkt auf die momentane Position des zu erfassenden Objekts gerichtet sein, sie kann direkt auf den über dem Objekt befindlichen Werkstoff, der es verbirgt, gerichtet sein oder kann unter einem spitzen Winkel auf die allgemeine Position des Objekts gerichtet sein. Der Emitter kann sich außerdem unter einem spitzen Winkel zur Normalen des Werkstoffs, der das Objekt verbirgt, und möglicherweise zur anderen Seite der Normalen befinden.
Die Vorrichtung kann tragbar sein. Die Vorrichtung kann eine Masse von höchstens 1 kg, höchstens 2 kg, höchstens 5 kg oder höchstens 10 kg besitzen. Die Vorrichtung kann an einem Fahrzeug, wie z. B. ein Flugzeug, ein Hubschrauber oder ein Kraftfahrzeug angebracht sein. Die Vorrichtung kann im Betrieb Strecken messen.
Es kann eine Software, die der Erfassungsanordnung zugeordnet ist, oder ein Prozessor, der Signale von der Erfassungsanordnung empfängt, vorhanden sein. Die Software kann die Signale verarbeiten, die sie von der Erfassungsanordnung empfängt. Die Verarbeitung kann die Berechnung der dielektrischen Konstante des Objekts enthalten.
Die Berechnung kann ferner den Vergleich der dielektrischen Konstante des Objekts (oder anderer empfangener Signalcharakteristiken) mit einer Datenbank enthalten, um Informationen über das Objekt, z. B. den Werkstoff, aus dem das Objekt hergestellt ist, zu erlangen.
Es können wenigstens zwei voneinander beabstandete Strahlungsausgänge vorhanden sein. Die Ausgänge können die Strahlung von einer einzelnen Quelle empfangen. Die Strahlung kann im Betrieb an einem Objekt gestört werden. Die Störungen können Informationen über die Konfiguration eines Objekts ergeben, das an dem Subjekt verborgen ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

i) Vorsehen einer Erfassungsanordnung, die geeignet ist, Strahlung von einer Strahlungsquelle zu erfassen; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
ii) Vorsehen einer Strahlungsquelle, die wärmeähnliche Strahlung im Frequenzbereich von 1 GHz bis 1000 GHz aussenden kann;
iii) Abstimmen einer Bandbreite, die der Erfassungsanordnung zugeordnet ist, um dadurch die Kohärenzlänge, die der ankommenden Strahlung zugeordnet ist, zu ändern; und
iv) Erfassen von Strahlung, die von der Quelle ausgesendet wird und in Resonanz von einem Hohlraum reflektiert wird, der durch zwei Grenzflächen oder Oberflächen definiert ist, die um eine Strecke beabstandet sind, die kleiner als die Kohärenzlänge ist; und
v) Verarbeiten der Frequenzantwort des Hohlraums, die von der Erfassungsanordnung erfasst wird, um das Vorhandensein eines Objekts oder eine andere Eigenschaft des Objekts zu kennzeichnen.

Das Verfahren kann einen Schritt zum Vorsehen der Strahlungsquelle in Verbindung mit der Erfassungsanordnung enthalten. Das Verfahren kann das Vorsehen der Strahlungsquelle als ein Element der Schaltungsanordnung der Erfassungsanordnung, z. B. als ein Verstärker enthalten. Das Verfahren kann das Aussenden wärmeähnlicher Strahlung von der Strahlungsquelle enthalten.
Das Verfahren kann das Polarisieren dieser Strahlung in einer der folgenden Möglichkeiten enthalten: s-, p-, rechtsdrehende oder linksdrehende Kreispolarisation. Eine vertikale Polarisation kann verwendet werden. Die Modulation der Polarisation zwischen vertikalen und horizontalen Polarisationen kann die Unterscheidung zwischen Nichtleitern und Metallen ermöglichen.
Das Verfahren kann das Vorsehen der Erfassungsanordnung entweder als eine Einzelelement-Anordnung oder eine Mehrfachelement-Anordnung enthalten. Das Verfahren kann das Vorsehen der Erfassungsanordnung in Form eines Radiometers enthalten. Jedes Element der Erfassungsanordnung kann eine ihm zugeordnete individuelle Kohärenzlänge besitzen.
Das Verfahren kann das Streuen der Strahlung enthalten, so dass sie gestört wird. Das Verfahren kann das Streuen der Strahlung enthalten, so dass sie entweder in dem Objekt oder zwischen der Grenzfläche der beiden Medien und dem Objekt oder in beiden genannten Fällen stehende Wellen bildet. Das Verfahren kann ferner das Bilden von mehreren stehenden Wellen enthalten. Die beiden Grenzflächen oder Oberflächen könnten zwei beliebige Flächen aus den Folgenden enthalten: obere Oberfläche des Objekts, untere Oberfläche des Objekts, erste Oberfläche des Objekts, zweite Oberfläche des Objekts, Grenzfläche zwischen dem Werkstoff, der das Objekt bedeckt, und einem anderen Medium (z. B. Erde/Luft), Oberfläche der Erfassungsanordnung; Grenzfläche zwischen zwei Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen.
Das Verfahren kann die Bilddarstellung eines verborgenen Objekts enthalten.
Das Verfahren kann den Schritt zum Ändern einer optischen Weglänge der Strahlung enthalten, um dadurch die Phase der erfassten Strahlung relativ zur ausgesendeten Strahlung zu ändern. Das kann die Kalibrierung der Erfassungsanordnung ermöglichen.
Das Verfahren kann die Schritte zum Berechnen der dielektrischen Konstante des Werkstoffs des Objekts oder des Werkstoffs, der es bedeckt bzw. ihm am nächsten ist, aus der reflektierten Strahlung und kann das Berechnen des Abstands der beiden Oberflächen enthalten.
Es können mehr als zwei Oberflächen, die Strahlung reflektieren, vorhanden sein und es kann mehr als ein Abstand von Grenzfläche zu Grenzfläche und mehr als ein Werkstoff vorhanden sein, der vermessen und/oder analysiert und/oder tiefengeprüft werden kann.
Das Verfahren kann ferner den Schritt zum Verarbeiten von Daten, die eine Angabe der erfassten Strahlung sind, enthalten.
Der Schritt zum Verarbeiten der Daten kann das Entfernen einer Gleichspannungskomponente daraus und das Messen einer Schwingungsamplitude enthalten.
Die Verarbeitung der Daten kann außerdem das Anpassen der Daten enthalten, um eine Dicke und/oder eine relative Dielektrizitätskonstante eines Werkstoffs, der den Hohlraum wenigstens teilweise füllt, zu erhalten.
Das Verfahren kann alternativ die Gleichspannungskopplung der Erfassungsanordnung und das Verwenden eines absoluten Signalpegels, der zu verarbeiten ist, enthalten.
Das Verfahren kann eine direkte Digitalisierung einer ankommenden reflektierten Wellenfront enthalten, um ein digitales Signal zu schaffen.
Das Verfahren kann ferner eine digitale Verarbeitung des digitalen Signals enthalten, um typischerweise unter Verwendung eines schnellen ADC ein Leistungsspektrum zu erhalten.
Das Verfahren kann ferner eine Mittelwertbildung aus einer Reihe von Leistungsspektren enthalten.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts, das sich in einer Wunde befindet, geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

i) Bestrahlen der Wunde mit wärmeähnlicher Strahlung;
ii) Sammeln der reflektierten Resonanzstrahlung;
iii) Analysieren der Strahlung, um die dielektrischen Eigenschaf ten eines Erfassungsvolumens zu bestimmen; und
iv) Unterscheiden zwischen dem Objekt und dem umgebenden Gewebe.

Das Verfahren kann das Abbilden des Erfassungsvolumens enthalten, um das Erfassungsvolumen bildlich darzustellen.
Das Bestrahlen der Wunde mit wärmeähnlicher Strahlung kann die Verwendung einer speziellen Bestrahlungseinrichtung/Emitters umfassen oder die natürliche Umgebungsstrahlung kann ausreichend sein. Es ist beabsichtigt, dass gewöhnlich ein Emitter vorgesehen ist.
Das Verfahren kann das Vermeiden eines direkten Kontakts mit einem Patienten/der Wunde eines Patienten enthalten.
Die Strahlung kann Strahlung mit einer Wellenlänge im Millimeter/Zentimeterbereich sein.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Streckenmessung geschaffen, das die folgenden Schritte enthält:

i) Vorsehen einer Strahlungsquelle;
ii) Aussenden von Strahlung;
iii) Erfassen von Strahlung, die in Resonanz von einer Oberfläche empfangen wird; und
iv) Verarbeiten eines Signals, das eine Angabe der erfassten Strahlung ist, um ein Maß der Strecke zwischen der Strahlungsquelle und der Oberfläche zu schaffen.

Die Strahlungsquelle kann an einem Fahrzeug, z. B. einem Flugzeug, einem Hubschrauber oder einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Oberfläche kann der Erdboden sein oder sie kann eine Oberfläche eines zweiten Fahrzeuges sein. Kleine Änderungen der Strecke zwischen der Quelle und der Oberfläche können gemessen werden, wodurch eine Schwingungsmessung ausgeführt werden kann.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen von verborgenen Objekten geschaffen, das die folgenden Schritte umfasst:

i) Aussenden von Strahlung mit einer ersten Frequenz;
ii) Erzeugen einer stehenden Welle aus der Strahlung zwischen erstem und zweitem Reflektor in einer überwachten Szene, wobei die stehende Welle eine zweite Frequenz besitzt;
iii) Erfassen der Strahlung bei der zweiten Frequenz; und
iv) Bewerten der Strecke zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor bei Kenntnis der ersten und der zweiten Frequenz.

Die erste und die zweite Frequenz können vorzugsweise unterschiedlich sein. Es kann ein Tuner vorgesehen sein. Dieser Tuner kann festlegen, welcher Bereich der Frequenzen erfasst wird. Die Bandbreite kann eine maximale Strecke zwischen den Reflektoren, die bewertet werden kann, bestimmen.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Millimeterwellen-Sicherheitsscanner mit Bilderzeugung geschaffen, der eine Objekt-Erfassungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst.
Ein Sicherheitsscanner ermöglicht die Erfassung und Identifizierung eines Gefährdungsobjekts durch eine Analyse der Frequenzstruktur in einem Spektrum, das aus der Breitbandstrahlung, die auf ein Subjekt und ein Gefährdungsobjekt auftrifft, entsteht.
Der Scanner kann eine Großflächen-Strahlungsquelle enthalten, wobei die Fläche der Quelle typischerweise >> λ² ist und in der Größenordnung von mehreren Quadratmetern liegt. Die Strahlungsquelle kann eine quasi-thermische Strahlungsquelle sein.
Die Erfassungsanordnung kann ein Millimeterwellen-Bilderzeugungssystem enthalten. Die Erfassungsanordnung kann eine Hochfrequenz-Filterbank enthalten, die typischerweise wenigstens ein Kammfilter enthält. Die Erfassungsanordnung kann so beschaffen sein, dass sie ein aus Bildelementen bestehendes Bild einer Szene erzeugt. Wenigstens ein Kammfilter kann so beschaffen sein, dass eine Frequenzstruktur in einem Bildelement des Bildes erfasst wird, wobei die Frequenzstruktur typischerweise den Hohlräumen entspricht, die durch eine Schicht aus Kleidung, Sprengstoff, einer Sprengvorrichtung, einer Feuerwaffe, einer Klinge oder einer anderen Waffe gebildet werden.
Die Grenzflächen können zwischen zwei oder mehr der folgenden Elemente gebildet werden: Körper des Subjekts, Kleidung des Subjekts, Sprengstoff, Sprengvorrichtung, Feuerwaffe, Klinge oder andere Waffe.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Objekterfassung geschaffen, die eine Erfassungsanordnung enthält, die für eine Verwendung mit einer Strahlungsquelle angepasst ist, wobei die Erfassungsanordnung einen Tuner besitzt, um eine Kohärenzlänge, die der Erfassungsanordnung zugeordnet ist, zu ändern, wobei die Erfassungsanordnung angepasst ist, um Strahlung zu erfassen, die von einem Hohlraum ausgeht, der durch zwei Oberflächen oder Grenzflächen definiert ist, die um eine Strecke beabstandet sind, die kleiner als die Kohärenzlänge ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts geschaffen, das die folgenden Schritte umfasst:

i) Vorsehen einer Erfassungsanordnung, die für eine Verwendung mit einer Strahlungsquelle angepasst ist;
ii) Abstimmen einer Bandbreite, die der Erfassungsanordnung zugeordnet ist, um dadurch eine Kohärenzlänge, die dem Detektor zugeordnet ist, zu ändern; und
iii) Erfassen einer in Resonanz befindlichen reflektierten Strahlung von einem Hohlraum, der durch zwei Grenzflächen oder Oberflächen definiert ist, die um eine Strecke beabstandet sind, die kleiner als die Kohärenzlänge ist.

Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erfassen verborgener Objekte gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum aktiven Erfassen verborgener Objekte gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische Darstellung des physikalischen Prozesses ist, der bei der Vorrichtung zum Erfassen verborgener Objekte von 1 und 2 verwendet wird;
4 eine schematische Darstellung der Amplitude als Funktion der Frequenz für ein Objekt ist, das durch eine Vorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfasst wird;
5 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Erzeugen von Interferenzstreifen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine schematische Darstellung einer Anordnung, die die vorliegende Erfindung enthält, zum Abtasten von Wunden ist;
7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung zur Bereichsfindung/Kollisionsvermeidung, die die vorliegende Erfindung enthält, ist;
8 eine schematische Darstellung einer Anregungseinrichtung mit linearer Polarisation für eine Unterscheidung der Objektausrichtung ist;
9 eine schematische Darstellung einer Anregungseinrichtung mit Kreispolarisation für eine Unterscheidung der Objektausrichtung ist;
10 eine Verstärkungsanordnung für eine ausgesendete Strahlung mit Kreispolarisation ist;
11 eine Verstärkungsanordnung für eine ausgesendete Strahlung mit linearer Polarisation ist;
12 eine schematische Darstellung der Erfassung einer Leitung unter Verwendung auftreffender inkohärenter Strahlung ist;
die 13 (a und b) schematische Darstellungen einer polarimetrischen Ansicht einer Szene, die Häuser und ein Fahrzeug enthält, bei (a) horizontaler Polarisation und (b) vertikaler Polarisation ist;
14 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erfassung gemäß Cassegrain ist;
15 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit polarimetrischer Empfindlichkeit bei Verwendung mit der Erfassungsanordnung von 14 ist;
16 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung zur Bereichsfindung/Kollisionsvermeidung ist, die die vorliegende Erfindung enthält;
17 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Anordnung zur Bereichsfindung/Kollisionsvermeidung ist, die die vorliegende Erfindung enthält; und
18 eine schematische Darstellung eines Millimeterwellen-Sicherheitsscanners mit Bilderzeugung gemäß wenigstens einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.
Die Vorrichtung 10 zum passiven Erfassen von verborgenen Objekten von 1 umfasst eine Detektoranordnung 12, die ein Wellenleiterhorn 14 und ein Koaxialkabel 16, das das Wellenleiterhorn 14 mit einem Mehrkanal-Schmalband-Radiometer 18 verbindet, enthält. Signale von dem Radiometer 18 werden zu einem Streifendetektor 20 geleitet und der Ausgang des Streifendetektors 20 wird zu einem Prozessor 22 geleitet, auf dem eine Software zur Dateninterpretation läuft.
Unterscheidungskomponenten 24 sind in dem Übergangsbereich zwischen dem Horn 14 und dem Koaxialkabel 16 angebracht. Der Aufbau und die Funktion der Unterscheidungskomponenten 24 werden nachfolgend beschrieben.
Ein Objekt 26, das erfasst werden soll, z. B. ein Knochen oder eine Sprengvorrichtung, liegt in einer Tiefe d unter einer Oberfläche 28 z. B. der Erde, von Kleidung oder einer Verpackung.
Diese Erfassungsanordnung ist wirkungsvoll für Systeme sowohl für eine passive als auch eine aktive Erfassung von Objekten durch Millimeter/Zentimeterwellen.
2 zeigt eine Vorrichtung 30 zur aktiven Erfassung von Objekten. Die Vorrichtung 30 umfasst einen Einspeisungshorn 32, einen HF-Breitbandverstärker 34 und ein Spektralradiometer 36. Das Spektralradiometer 36 enthält ein Hochfrequenz-Bandpassfilter 38.
Im Betrieb erzeugt der Verstärker 34 thermisches bzw. Johnson-Breitbandrauschen, wovon ein Anteil zum Radiometer 36 weitergeleitet wird und einen Teil des gewöhnlichen Rauschens bildet, das der elektronischen Schaltungsanordnung des Radiometers 36 zugeordnet ist.
Ein Anteil T_N des Rauschens des Verstärkers 24 wird jedoch in Rückwärtsrichtung aus dem Einspeisungshorn 32 geleitet und beleuchtet einen Erfassungsbereich 40. Die Beleuchtung eines Objekts, das erfasst werden soll, mit einer Strahlung aus Breitband-Mikrowellen und Millimeterwellen hat die Bildung von stehenden Wellen 41 zur Folge (radiometrische Hohlraumstreifen). In dem Beispiel von 2 sind die stehenden Wellen 41 einem Hohlraum (oder Objekt) 42 zugehörig, der bzw. das erfasst werden soll. Das ausgesendete Rauschen T_N kann möglicherweise durch Verwendung eines Verstärkers mit veränderlichem Gewinn moduliert werden, um das Johnson-Rauschen von einem Widerstand zu verstärken, um die Sichtbarkeit zu verbessern und eine Phasenumkehr der Streifen zu bewirken. Der Verstärker 34 wirkt effektiv, um eine große Anzahl von Streifen über einen schlecht isolierten Wellenleiter anzuregen.
Es wird erwartet, dass die Strahlungsquelle, z. B. der Verstärker der Erfassungsanordnung nicht direkt zugeordnet sein muss, sondern in einer so genannten bistatischen Anordnung (Anordnung mit zwei Standorten) davon beabstandet sein kann. Das hat den Vorteil, dass der Erfassungsbereich infolge von Betrachtungen des Formfaktors verringert ist und die räumliche Empfindlichkeit verbessert ist.
Eine Kohärenzlänge, die der Vorrichtung 10 oder 30 zugeordnet ist, wird durch das Filter 38 gemäß der folgenden Gleichung eingestellt lc = cΔfn' wobei

l_c: die Kohärenzlänge ist,
c: die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ist,
Δf: die Bandbreite des Bandpassfilters ist und
n': der Realteil des Brechungsindex des Mediums ist.

Die Kohärenzlänge definiert die Größe des Hohlraums, der bei der stehenden Welle aktiv ist, und ist definiert durch die spektrale Breite jedes Kanals in dem Detektor. Wirkungen infolge von Etalonen oder Hohlräumen, die länger als die Kohärenzlängen sind, werden nicht erfasst. Es ist vorzuziehen, die Kohärenzlänge so einzustellen, dass sie ein Mehrfaches der Hohlraumgröße ist, um mehr als eine stehende Welle anzuregen. Das ermöglicht außerdem eine Auflösung der radiometrischen Hohlraumstreifen im Frequenzbereich.
Es wird anerkannt, dass dann, wenn die Strecke von dem Detektor 30 zur Oberfläche des Erdbodens 40 (Größe des Hohlraums) größer als die Kohärenzlänge ist, die genaue Größe dieser Strecke keine Rolle spielt. Dadurch kann die Erfassungsanordnung in der Hand gehalten oder an einem Fahrzeug (z. B. Hubschrauber oder Kraftfahrzeug) angebracht werden.
Das Einspeisungshorn 32 sendet nicht nur das Verstärkerrauschen T_N aus, sondern sammelt außerdem die radiometrischen Hohlraumstreifen, die durch die stehenden Wellen bewirkt werden, und leitet sie zu dem Verstärker 34 und dem Radiometer 36. An dem Radiometer 36 in dem Filter 38 wird die Empfindlichkeit auf die Kohärenzlänge eingeführt. Eine typische Bandbreite von 40 GHz ermöglicht eine räumliche Auflösung von wenigen Millimetern.
Die Eingangs-Reflexionsfähigkeit (Einspeisungshorn 32) des Radiometers kann verbessert werden, um die radiometrischen Hohlraumstreifen zu verbessern sowie den Ausgang des Einspeisungshorns 32 wirksam zu verbessern. Bei schwachen Hohlraumwirkungen ist vorgesehen, dass ein Verstärker zwischen dem Objekt und dem Radiometer angeordnet wird, um das verringerte Signal auszugleichen, das infolge der größeren Eingangs-Reflexionsfähigkeit in das Radiometer eintritt.
Wenn eine direkte Erfassung von kreispolarisierter Strahlung gewünscht ist, könnte an Stelle des Einspeisungshorns 32 eine Spiralantenne verwendet werden. Weitere mögliche Antennen enthalten einen zylindrischen Dipol, eine Yagi-Antenne, Mikrostreifen, schraubenförmige Längsstrahler, doppelt konische Antennen, logarithmisch periodische Antennen, bogenförmige Bandantennen, TEM- und Vivaldi-Antennen.
3 zeigt Einzelheiten des Prozesses, der bei der Bildung von radiometrischen Hohlraumstreifen und der Objekterfassung beteiligt ist. Breitband-Wärmestrahlung 44 wird von einer (nicht gezeigten) Quelle, z. B. vom Himmel oder einem Verstärker oder einem Widerstand, der mit der Vorrichtung 10, 30 verbunden ist, über ein erstes Medium 46 ausgestrahlt, das typischerweise, jedoch nicht ausschließlich die Luft ist, und tritt in ein zweites Medium 48 ein, das z. B. Erde oder Kleidung ist, jedoch typischerweise für sichtbares Licht undurchlässig ist. Ein Objekt 50, das in einer Tiefe d unter der Grenzfläche zwischen dem ersten Medium 46 und dem zweiten Medium 48 verborgen ist, bildet ein drittes Medium und ist typischerweise (z. B.) aus Kraftstoff, Metall oder Glas hergestellt bzw. besteht aus Knochen.
Die Vorrichtung 10, 30 ist typischerweise zu dem Objekt um einen Winkel, der typischerweise in der Größenordnung von 30° (oder allgemeiner im Bereich von 20° bis 40°) liegt, versetzt, um eine wirkungsvolle Beleuchtung des Objekts 50 durch die Strahlung 44 zu erreichen. Bei einem passiven System führt ein Einfallswinkel von 0° zu einer Verdunklung der Quelle (des Himmels) durch die Vorrichtung 10, 30 in Bezug auf das Objekt 50. Der Winkel sollte ebenfalls nicht nahe bei 90° liegen, da die Weglänge in der Erde lang ist und deswegen eine bedeutende Absorption der Strahlung durch die Erde auftritt. Bei einem aktiven System könnte der Einfallswinkel 0° betragen, es gibt jedoch Gründe, warum ein geneigter Winkel in bestimmten Situationen trotzdem bevorzugt sein könnte.
Die Breitbandstrahlung 44 besitzt Frequenzkomponenten in dem Mikrowellen- und Millimeterwellen-Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Stehende Wellen (radiometrische Hohlraumstreifen) 51 werden durch die Strahlung 51 in dem zweiten Medium 48 zwischen seiner Grenzfläche mit dem ersten Medium 46 und dem Objekt 50 aufgebaut. Diese stehenden Wellen 51 sind verschwindend kleine Wellen 52 außerhalb des zweiten Mediums und haben Spitzenwerte und Senken in einer Intensität, die an dem Detektor als Funktion des Frequenzspektrums aufgezeichnet wird, zur Folge. Die stehenden Wellen treten mit einer Periodizität auf, die gegeben ist durch: Δf = c2nd wobei

c: die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ist,
n: der Brechungsindex des Mediums ist und
d: der Abstand ist, über den die Interferenz auftritt (Tiefe des vergrabenen/verborgenen Objekts oder die Größe des Hohlraums).

Diese stehenden Wellen 51 erzeugen radiometrische Temperaturän derungen im Frequenzraum, die als sinusförmig angenommen werden können. Wenn eine radiometrische Temperaturmodulation Spitze-Spitze von T_max – T_min gegeben ist, werden die radiometrischen Temperaturänderungen der stehenden Wellen bei der Strahlungsfrequenz f angegeben durch: T(f) = (Tmax – Tmin)sin(fd4Πn c)
Der Brechungsindex eines Mediums kann gemessen werden, z. B. durch eine elektrische Sonde, um den Feuchtigkeitsgehalt der Erde zu messen. Dieser kann mit einem geschätzten Streifenabstand verwendet werden, um die Tiefe d zu schätzen. Dadurch können das Vorhandensein des Objekts und seine Tiefe unter der Oberfläche bestimmt werden.
Die radiometrischen Hohlraumstreifen 51 sind im Frequenzraum sichtbar, wobei der Abstand der Streifen im Frequenzbereich eine Angabe der Dicke/Tiefe des Hohlraums/Objekts, nach dem gesucht wird, (und ein Maß des Realteils der dielektrischen Konstante des untersuchten Werkstoffs) ist, wobei die Amplitude der Schwingungen der Streifen ein Maß des Imaginärteils der dielektrischen Konstante des untersuchten Werkstoffs ist.
Um die Amplitude der Schwingungen der radiometrischen Hohlraumstreifen zu bestimmen, müssen die Verarbeitungsmittel eine Gleichspannungs-Hintergrundkomponente aus der Darstellung der Amplitude als Funktion der Frequenz (die in 4 gezeigt ist) entfernen und die Schwingungsamplitude in Bezug auf einen Hintergrundpegel null bestimmen. Der Detektor kann alternativ gleichspannungsgekoppelt sein, wodurch der absolute Pegel des Signals für die Analyse verwendet werden kann. In jedem Fall kann eine Anpas sungsroutine verwendet werden, um die Dicke und die relative Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs zu schätzen, wodurch die Identifizierung der Substanz möglich ist (möglicherweise aus einer Bibliothek/Nachschlagtabelle von "erwarteten" Werkstoffen für Objekte bekannter Art). Außerdem oder alternativ kann die Dicke des Objekts verwendet werden, möglicherweise mit einer Nachschlagtabelle für "erwartete" Klassen von Objekten, um das versteckte Objekt zu identifizieren oder zu klassifizieren.
Die gemessenen Strahlungstemperaturen des untersuchten Werkstoffs werden durch seinen Reflexionskoeffizienten bestimmt, der für einen Hohlraum eine Funktion der Frequenz ist und deshalb Informationen enthält, die die komplexe relative Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs betreffen. Der absolute Pegel der Strahlungstemperatur ergibt typischerweise Informationen, die die reelle Komponente der komplexen Dielektrizitätskonstante betreffen.
Wenn sowohl der reelle als auch der imaginäre Teil der Dielektrizitätskonstante des Hohlraums/Objekts bekannt sind, können Informationen erhalten werden, die den Werkstoff betreffen, aus dem der Hohlraum/das Objekt gebildet ist. Die reellen und imaginären Teile (ε' – iε_r'') einer Auswahl von Werkstoffen liegen in den folgenden Bereichen: Plastiksprengstoffe ~(2,9; 0,06); Metalle (1; 10⁶); Kunststoffe im Bereich von (2,6; < 0,1) bis (3,6; < 0,1); feuchtes Erdreich (22; 5).
Die Bestimmung des Werkstofftyps kann durch einen Vergleich der gemessenen reellen und imaginären Werte der Dielektrizitätskonstante mit bekannten Werten, die in einer "Nachschlagtabelle" gespeichert sind, oder durch ein anderes bequemes Verfahren ausge führt werden.
Nachdem der Typ, d. h. die Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs, aus dem das Objekt hergestellt ist, bekannt ist, kann eine genauere Bestimmung der Tiefe d ausgeführt werden. Metalle, gute Leiter oder Wasser dämpfen Millimeter/Zentimeterwellen sehr rasch und deswegen gibt es eine sehr beschränkte Eindringtiefe von z. B. 0,2 μm bei Metallen und 0,3 mm bei Wasser.
Ähnliche Wirkungen von stehenden Wellen treten zwischen der Grenzfläche von erstem Medium 46 und zweitem Medium 48 und der Vorrichtung 10, 30 auf. Es gibt außerdem Wirkungen stehender Wellen in dem Objekt 50, vorausgesetzt, dass es eine endliche Tiefe besitzt.
Bei einem derartigen System ist es möglich, die Tiefe d der Vergrabung oder der Verborgenheit eines Objekts zu bestimmen, indem der Ausgang des Radiometers 36 zu einem Prozessor (zu einem ähnlichen Prozessor oder dem in 1 gezeigten Prozessor) geleitet wird, der die radiometrischen Hohlraumringe verarbeitet (z. B. zählt) und dadurch die Größe des Hohlraums bestimmt. Diese Technik ermöglicht die Penetrierung des Mediums bis zu einem Mehrfachen der Eindringtiefe. Die genaue Tiefe der Penetrierung hängt von den Eigenschaften des Mediums, der Frequenz und dem Betrag der Rauschtemperatur der Strahlung ab.
Die Kohärenzlänge der Vorrichtung 10, 30 ist zu klein, um den Objekthohlraum der Erfassungsanordnung, den Hohlraum 1 zu erfassen, ist jedoch ausreichend groß, um den Hohlraum, der durch das Objekt 2 definiert ist, den Hohlraum 2 zu erfassen. Deswegen können durch diese Technik eine räumliche Selektivität und eine gute räumlich Auflösung erreicht werden. Der Hohlraum 1 kann in der Größenordnung von Millimetern bis Metern sein. Durch Ändern der Bandbreite der erfassten Signale, die zu verstärken sind, ist es möglich, die Kohärenzlänge effektiv zu ändern und dadurch nach unterschiedlichen Strecken zwischen zwei reflektierenden Oberflächen/Grenzflächen möglicherweise die Erdreichtiefe/Tiefe im menschlichen Gewebe eines Objekts) zu suchen.
Bei passiven Systemen ist es typisch, dass die Strahlung 44 eine Temperatur Ts besitzt, die niedriger als die Temperatur T_A des zweiten Mediums 48 und die Temperatur T_B des Objekts 50 ist. Das kann die Emission von Strahlung 53 von dem Objekt 50 und dem zweiten Medium in das erste Medium 46 zur Folge haben.
Wenn bei dem ersten Medium 46 eine Phasenänderung eingeführt wird, wird sich der Abstand der radiometrischen Hohlraumstreifen ändern. Es ist eine Phasenwobbelung möglich, um die Streifen auszulöschen. Die Phase der Strahlung wird relativ zu der Wobbelungsdauer der Spektralanalyse langsam über ein Bogenmaß on 0 bis 2Π gewobbelt, während das Spektrum gemittelt wird. Das hat zur Folge, dass die Streifen effektiv ausgelöscht werden, während die Hüllkurve infolge des Objekts unverändert bleibt. Eine derartige Phasenwobbelung würde effektiv die Reflexionsfähigkeit in ähnlicher Weise wie eine Messung des Welligkeitsfaktors (VSWR) messen. Diese Reflexionsfähigkeit würde bei allen Frequenzen gemessen und diese frequenzabhängige Reflexionsfähigkeit würde die Informationen der Reflexionsfähigkeit von dem verborgenen Objekt enthalten.
Die Phasenverschiebung kann durch eine Zeitverzögerung eingeführt werden, die durch das Bewegen der Vorrichtung auf die Grenzfläche Medium 1/Medium 2 zu oder weg von dieser induziert werden kann. Eine Phasenänderung von wenigstens 2Π sollte eingeführt werden, so dass gilt:
Typischerweise erfährt ein Streifen in einem bestimmten Frequenzbereich eine maximale Änderung der Strahlungstemperatur bei einer Bewegung um eine Viertelwellenlänge.
Es wird anerkannt, dass es nicht erforderlich ist, die Vorrichtung körperlich zu dem Objekt oder weg von diesem zu bewegen, um eine Phasenänderung zu erzeugen, eine größere optische Weglänge kann erreicht werden, indem bewirkt wird, dass Strahlung einer Weglänge, die vergrößert werden kann, in einer Phasenänderungseinheit folgt. Diese kann Spiegel oder möglicherweise eine bewegliche Komponente (die z. B. geradlinig bewegt werden kann) enthalten.
Das Anwenden der Phasenwobbelung bei der Technik zum Auslöschen von Streifen bei reinem Erdboden, der keine vergrabenen Körper enthält, ermöglicht eine Kalibrierung der Frequenzantwort der Vorrichtung.
Die Vorrichtung kann kalibriert werden, indem die Erfassungsanordnung über ein Medium bewegt wird, von dem bekannt ist, dass es keine Objekte oder Teile aus absorbierendem Werkstoff enthält, so dass der Signalpegel bei allen Erfassungskanälen auf null gesetzt werden kann bzw. ein Grundpegel aufgezeichnet werden kann.
Die Filterung der Strahlung vor der Erfassung ermöglicht, dass eine teilweise kohärente Strahlung zur Interferenz gebracht wird. Diese teilweise Kohärenz ermöglicht, dass die Vorteile der Systeme zur Objekterfassung/Bilderzeugung sowohl mit inkohärenter Strahlung (Millimeterwellen) als auch mit kohärenter Strahlung (Radar) ohne die jeweiligen Nachteile genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil eines derartigen Systems besteht darin, dass die gesamte Bandbreite genutzt wird, wobei gleichzeitig Integrationszeiten minimal gemacht werden und deswegen ein gewünschter Störabstand schneller erreicht werden kann als bei herkömmlichen Systemen (z. B. Radar).
Ein weiterer Vorteil von Systemen mit großer Bandbreite besteht darin, dass entfernte schmalbandige Quellen keine Verschlechterung der Objekterfassungsfähigkeit des Systems bewirken, sondern die radiometrischen Hohlraumstreifen verstärken, wodurch die Objekterfassungsfähigkeit des Systems verbessert wird.
Es wird anerkannt, dass bei einem Mehrkanal-Radiometer jeder einzelne Kanal seine eigene, ihm zugeordnete Kohärenzlänge besitzen kann, um eine gleichzeitige Mehrfach-Tiefenprüfung zu ermöglichen. Ein Mehrkanal-Radiometer kann eine Bilddarstellung des Erfassungsvolumens ermöglichen.
Da die Vorrichtung keine natürliche Beleuchtung erfordert, ist ihre Verwendung nicht auf die Frequenzen atmosphärischer Fenster beschränkt und kann in Innenräumen verwendet werden. Durch die Vorrichtung 10, 30 kann nur ein Hohlraum erfasst werden, dessen Tiefe kleiner als die Kohärenzlänge ist, die durch das Filter 38 eingestellt wird.
Um den Störabstand zu verbessern, ist eine Bestrahlungstemperatur vorzuziehen, die wenigstens das Doppelte der Bestrahlungstemperatur des Einspeisungshorns 32 ist oder die eine sehr geringe Bestrahlungstemperatur ist, die typischerweise niedriger als 150 K ist. Eine praktische Anordnung kann z. B. eine Bestrahlungstemperatur von 1000 K an der Eingangsstufe eines Radiometers besitzen.
Verbesserte Störabstände können außerdem erreicht werden durch das Bewegen der Strahlungsquelle neben der Erfassungsanordnung oder als Teil der Erfassungsanordnung. Dadurch würde Strahlung von der Quelle lediglich nach der Reflexion von diesem Objekt in die Vorrichtung eintreten. Das würde das Gesamtrauschen in dem Radiometer verringern und ermöglichen, dass Strahlungsquellen mit höherer Leistung verwendet werden. Vorzugsweise ist die Spitze-Spitze-Amplitude der Streifen z. B. das Dreifache des radiometrischen Rauschens.
Eine direkte Digitalisierung von Signalen, die von dem HF-Verstärker ausgegeben werden, kann verwendet werden, um ein Leistungsspektrum zu erzeugen, das über eine Zeitperiode gemittelt ist. Eine Impulslänge von 5–10 ns, die bei einer Rate von 20 GHz über eine Periode von mehreren Millisekunden digitalisiert wird, ergibt mehrere Millionen Spektren, die bei einer nachfolgenden Verbesserung des Störabstands von mehreren tausend gemittelt werden.
Der Pegel der Strahlung, die durch den Verstärker 34 ausgesendet wird, liegt typischerweise im Bereich von 100 bis 500 pW, wobei eine Abtastfläche von etwa 100 cm² angenommen wird, was eine Strahlungsdichte von 5 pW/cm² ergibt, die kleiner ist als das Vierfache des Dichtepegels der Hintergrundstrahlung von 1,4 pW/cm² ist und um etwa sechs Größenordnungen geringer ist als die zulässigen Sicherheitspegel von etwa 10 mW/cm² der Nationalen radiologischen Schutzbehörde (NRPB) von Großbritannien. Eine Rauschtemperatur von 1000 K erzielt z. B. eine Bestrahlungsleistung von etwa 140 pW.
Die niedrigen Pegel der ausgesendeten Strahlung bedeuten, dass diese Erfassungsanordnung für eine verdeckte/nicht in die Privatsphäre eingreifende Objekterfassung ideal ist, die z. B. bei Lufthafen-Sicherheitsprüfungen erwünscht sein kann (oder bei Sicherheitsprüfungen an anderen Stellen, wie etwa bei Gebäuden, Bahnhöfen oder sogar mobilen Prüfpunkten).
5 zeigt eine Vorrichtung zur Phasenabtastung und ein Verfahren zur Objekterfassung, bei der durch die Verwendung einer Quelle 54 von Wärmerauschen und zweier Emitter 55, 56, die im Betrieb jeweils eine einzelne Frequenz aussenden, um ein Objekt 57 (z. B. eine Person, die sicherheitstechnisch abgetastet wird) und einen Detektor 58 zu bestrahlen. Interferenzstreifen 59 können an dem Objekt 57 infolge der relativen Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlen von den Emittern 55, 56 gebildet werden. Die Weglängen zwischen jedem der Emitter 55, 56 und dem Objekt 57 sollten identisch sein und die Bandbreite der Quelle 54 sollte derart sein, dass im Wesentlichen keine Interferenz mit der Hintergrundwärmestrahlung auftritt, indem eine Detektorbandbreite so eingestellt wird, dass lediglich Strahlung mit einer Kohärenzlänge, die der des Subjekts ähnlich ist, verwendet wird. Kleidung ist z. B. durchlässig für Millimeterstrahlung, ein menschlicher Körper ist jedoch zu etwa 40% reflektierend und durch das Erzeugen von Streifen 59 mit entsprechendem Abstand könnte die dreidimensionale Form des Körpers ermittelt werden. Der Detektor 58 sieht das Subjekt 57 von einer zwischen den Emittern 55, 56 liegenden Position. Die Änderung des Streifenabstands bei der Einführung des Objekts 57 in das Gesichtsfeld des Detektors 58 ergibt Informationen, die die Form des Subjekts 57 betreffen.
Wenn das Subjekt 57 ein Objekt 60, z. B. ein Dielektrikum, wie etwa eine Sprengvorrichtung oder ein Messer aus Kunststoff, das an ihm angebracht ist, besitzt, gibt es eine Änderung der Weglängen zwischen den Emittern 55, 56 und dem Detektor 58 und das hat eine Änderung an der Periodizität und der Form der Streifen 59 zur Folge, sie bewegen sich z. B. näher zusammen und werden immer stärker kreisförmig, wenn ein Kunststoffmaterial an einer Person angebracht ist. Das ist in 5 durch die gestrichelten Linien 61 schematisch dargestellt.
Es kann ein Luftspalt zwischen dem Subjekt 57 und dem Objekt 60 vorhanden sein. Ein Luftspalt zwischen dem Subjekt 57 und dem Objekt 60 beeinflusst den Erfassungsprozess nicht. Die Anordnung von Streifen über einem Objekt kann verwendet werden, um seine dreidimensionale Form wiederzugeben.
Diese Technik kann selbst dann verwendet werden, wenn die Sprengstoffe durch herkömmliche Bilderzeugungstechniken nicht erfasst werden können. Die obige Technik könnte gleichfalls verwendet werden, um Waffen, Drogenpakete oder andere Schmuggelwaren innerhalb oder außerhalb des Körpers zu finden. Diese Techniken könnte außerdem verwendet werden, um Verpackungen abzutasten.
Eine medizinische Anwendung eines Systems zum Erfassen von verborgenen Objekten durch Strahlung mit Millimeter/Zentimeter-Wellenlängen ist die Erfassung von fremden Objekten in Wunden, siehe z. B. 6. Obwohl die Durchdringung von Strahlung mit Millimeter/Zentimeter-Wellenlängen lediglich wenige Zentimeter beträgt, kann sie verwendet werden, um Objekte zu erfassen, wie z. B. Kunststoffe, die durch eher herkömmliche Verfahren, wie etwa Röntgenstrahlen oder Ultraschall, schwer zu erfassen sind. Es hat außerdem den Vorteil, dass im Unterschied zum Ultraschall kein Kontakt zwischen dem Detektor und dem Patienten erforderlich ist. Die Verwendung einer kleinen Öffnung, die typischerweise die gleiche Größe wie die Wellenlänge der Strahlung besitzt, würde transversale Auflösungen im Millimeter- oder Sub-Millimeterbereich ermöglichen.
Derartige Systeme sind früher so beschrieben worden, dass sie in Systemen zur Höhenmessung verwendet wurden, z. B. in Hubschraubern und Flugzeugen, da sie Abstandsmessungen bis zu einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern erreichen können, siehe z. B. 7. Sie können außerdem bei Systemen zur vorausschauenden Kollisionsvermeidung verwendet werden. Das erfordert die Verwendung von großen Kohärenzlängen und großen Bandbreiten der Bandpassfilter, wobei sie in Nebel oder Wolken über einen Bereich von mehr als 1000 m mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern verwendet werden können.
Die Verwendung von polarisierter Strahlung kann weitere Konfigurationsinformationen über erfasste Objekte erzielen. Es kann tatsächlich vorteilhaft sein, den Detektor auf vertikale Polarisation empfindlich zu machen, da diese eine größere Eindringtiefe in den Erdboden besitzt, wenn nach vergrabenen Objekten gesucht wird.
Die 8 und 9 zeigen Komponenten 24 zur Polarisationsunterscheidung für linear polarisierte Strahlung bzw. für kreispolarisierte Strahlung.
Eine Unterscheidungseinrichtung 63 für lineare Polarisation umfasst ein erstes Viertelwellenlängenplättchen 64, das drehbar ist und angrenzend an die Einspeisung 14 angeordnet ist, und ein zweites feststehendes Viertelwellenlängenplättchen 66, das angrenzend an das Radiometer 18 angeordnet ist.
Das erste Viertelwellenlängenplättchen 64 wird so gedreht, dass seine schnelle Achse den gewünschten Winkel der linearen Polarisation der zu erfassenden Strahlung wählt. Die Strahlung ist zwischen dem ersten und dem zweiten Viertelwellenlängenplättchen 64, 66 kreispolarisiert. Das feststehende zweite Viertelwellenlängenplättchen 66 bewirkt die gewünschte lineare Polarisation an der Strahlung, bevor sie sich zu dem Radiometer 18 bewegt.
Die Unterscheidungseinrichtung 63 für Kreispolarisation umfasst angrenzend an das Horn 14 ein Viertelwellenlängenplättchen 68, das zwischen zwei um 90° beabstandeten Positionen drehbar ist, und einen feststehenden 45°-Faraday-Rotator 70.
Das Viertelwellenlängenplättchen 68 wird verwendet, um eine der beiden orthogonalen Polarisationsarten der Strahlung durch die 90°-Drehung ihrer schnellen Achse zu wählen. Die Strahlung ist in dem Bereich zwischen dem Viertelwellenlängenplättchen 68 und dem Faraday-Rotator 70 linear polarisiert. Der Faraday-Rotator 70 bewirkt die gewünschte lineare Polarisation an der Strahlung, bevor sie sich zum Radiometer 18 bewegt.
Es wird anerkannt, dass die beiden Unterscheidungseinrichtungen für lineare Polarisation und für Kreispolarisation bei jedem verallgemeinerten System zur Erfassung vorborgender Objekte gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, obwohl die Beschreibung unter Bezugnahme auf die Vorrichtung von 1 erfolgt.
Es wird außerdem anerkannt, dass die Polarisations-Unterscheidungseinrichtungen verwendet werden können, um abgehende wärmeähnliche Breitband-Verstärkerrauschstrahlung T_N zu polarisieren, obwohl eine Bezugnahme auf Strahlung, die in die Erfassungsvorrichtung 10 eintritt, erfolgt.
Die Fähigkeit zum Erfassen der Kreispolarisation ist besonders vorteilhaft, da sie die Unterscheidung von natürlichen und künstlichen Strahlungsquellen ermöglicht. Es gibt keine oder nur sehr wenige bekannte terrestrische natürliche Quellen von polarisierter Strahlung aus Mikrowellen oder Millimeterwellen. Daher muss eine solche kreispolarisierte Strahlung künstlich sein.
Alternativ ist es möglich, wie in den 10 und 11 gezeigt ist, die Verstärkung eines linear polarisierten oder kreispolarisierten Ausgangs durch die Verwendung eines Hochfrequenz-Verstärkers zu verbessern.
Eine Anordnung 74 zur Verstärkung von linearer Polarisation umfasst einen 45°-Faraday-Rotator 75 zwischen dem Horn 14, einen Wellenleiter/Koaxialkabel-Übergangsbereich 76, eine Stichleitung 78 und einen HF-Verstärker 80.
Die eintreffende Strahlung bewegt sich durch den Faraday-Rotator 75 und den Übergangsbereich 76. Ein Teil der Strahlung wird von dem Hauptkoaxialkabel entlang der Stichleitung 78 abgezweigt und bewegt sich durch den Verstärker 80, wobei der Rest der Strahlung zum Radiometer 18 geleitet wird.
Der verstärkte Teil der Strahlung wird durch den Übergangsbereich 76 und den Faraday-Rotator 75 geleitet und wird vom Horn 14 ausgesendet.
Das hat ein Ansteigen der Größe der radiometrischen Streifen, die erfasst werden, zur Folge und vermeidet die Erfassung von Signalen, die den Verstärker verlassen haben und zurück zu dem Horn 14 geleitet werden und das zu erfassende Objekt nicht berührt haben.
Eine Anordnung für die Emission von kreispolarisierter Strahlung ist in 11 gezeigt und ist im Wesentlichen gleich der Anordnung für linear polarisierte Strahlung, wobei ein Viertelwellenlängenplättchen 82 den Faraday-Rotator 75 ersetzt.
Von der Polarisation abhängige Wirkungen können verwendet werden, um den Kontrast von Objekten zu verbessern und um Konfigurationsinformationen bezüglich eines Objekts zu erlangen.
Es sind z. B. nicht vergrabene Objekte aus Kraftstoff und Holz sowohl in horizontalen als auch vertikalen Strahlungspolarisationen vor einem Hintergrund aus Asphalt dargestellt worden. Es gab bedeutende Unterschiede bei den scheinbaren Temperaturen, wenn die Betrachtung mit unterschiedlichen Polarisationen erfolgte. Es ist des wegen möglich, dass ein passiver Millimeterwellensensor für mehrere Polarisationen Hintergrundstörungen verringern könnte und die Sichtbarkeit von Objekten auf Grund ihrer polarisationsabhängigen Temperaturänderung verbessern kann. Wenn das Objekt mit der Strahlungspolarisation bei dem Optimalwert oder nahe bei diesem für den Werkstoff, aus dem das Objekt hergestellt wurde, betrachtet wird, könnten Kontrastunterschiede maximal gemacht und die Erfassungswahrscheinlichkeit verbessert werden.
Bei einem weiteren Beispiel der polarimetrischen Erfassung wird dann, wenn ein Objekt mit rechtsdrehend kreispolarisierter Strahlung beleuchtet wird und die Reflexionen bei einem senkrechten Auftreffen auf das Objekt beobachtet werden, eine ebene Oberfläche linksdrehend kreispolarisierter Strahlung reflektieren. Die Objekte sind gewöhnlich gekrümmt und besitzen deswegen sehr wenige Bereiche, die senkrecht zu der Betrachtungsrichtung sind. Jedoch ein dünnes lang gestrecktes Objekt, wie z. B. eine Leitung, die eine Breite besitzt, die kleiner als die Wellenlänge der auftreffenden Strahlung ist, wird rechtsdrehend kreispolarisierter Strahlung reflektieren. Das würde z. B. ermöglichen, dass Piloten Hochspannungsleitungen erfassen, da die einzelnen Leitungsstränge typischerweise eine Dicke von einigen Millimeter besitzen, oder die Erfassung von Leitungen oder Rohren ermöglichen, die in Innenwänden eines Gebäudes verlaufen. Unpolarisierte Strahlung, die von einer Leitung reflektiert wird, wird mit teilweise linearer Polarisation reflektiert, wie in 12 gezeigt ist. Das Erfassungssystem könnte so beschaffen sein, dass eine lineare Polarisation als eine Funktion eines Winkels erfasst wird, oder ein Bilderzeugungspolarimeter könnte so beschaffen sein, dass es den vollen Stokes-Vektor misst. Das ermöglicht die Erfassung z. B. von vergrabenen oder versteckten Leitungen, Stol perdrähten, Kommunikationskabeln, Abhörvorrichtungen und Hochspannungskabeln von Systemen zur Kollisionsvermeidung für Hubschrauber. Außerdem sind eine Bestrahlung eines Objekts mit kreispolarisierter Strahlung und die Messung der reflektierten/gestreuten Strahlung in der linear polarisierten Betriebsart möglich.
In ähnlicher Weise kann ein polarimetrisches Radiometer, das an einem Objekt mit regelmäßigem Aufbau, z. B. Abstützungen in Wänden angeordnet ist, verwendet werden, um die Struktur zu bestimmen. Wenn der Winkel der linearen Polarisation der Strahlung geändert wird, werden die Abstützungen/Rippen als ein regelmäßiges Muster in dem Signal der radiometrischen Hohlraumstreifen als eine Funktion des Polarisationswinkels erscheinen.
Horizontal und vertikal polarisierte Strahlung besitzt unterschiedliche Reflexionsfähigkeiten bei einer Erfassung unter einem Winkel, der vom senkrechten Auftreffen sehr verschieden ist, wodurch sich der Kontrast bei der s-Polarisation verbessert, sich jedoch bei der p-Polarisation verringert. Der Winkel mit maximalen Unterschieden wird dann erreicht, wenn der Erfassungswinkel dem Brewster-Winkel entspricht. Es kann für ein Objekt erreicht werden, wenn es unter einer großen Anzahl von Winkeln wirkungsvoll betrachtet werden kann, indem es auf einem Drehtisch gedreht wird, wobei der Detektor um das Objekt gedreht wird oder wenn eine große Anzahl von in Winkelrichtung beabstandeten Empfängern verwendet werden. Das macht die Wahrscheinlichkeit maximal, dass das Objekt unter dem Winkel des maximalen Kontrasts betrachtet wird.
Ein Vorteil der Polarimetrie besteht darin, dass die Reflexionen von Dielektrika stark polarisationsabhängig sind und typischerweise in der vertikalen Polarisation wärmer erscheinen als in der horizontalen Polarisation, und dass der Kontrast bei Metallen von der Polarisation unabhängig ist. Das ist in den 13 (a und b) gezeigt, in denen die Kennzeichnung "kalt" eines metallischen Objekts gleich bleibt, wenn der Detektor so beschaffen ist, dass er lediglich vertikal polarisierte Strahlung empfängt, und die Kennzeichnungen "heiß" von nicht metallischen Objekten von der Erfassung ausgeschlossen sind, wohingegen sie erfasst werden, wenn der Detektor so beschaffen ist, dass er horizontal polarisierte Strahlung empfängt.
14 zeigt eine Cassegrain-Erfassungsanordnung 99, die einen primären Reflektor 100, einen Unterreflektor 102, ein rechtwinkliges Einspeisungshorn 104 und ein Erfassungs/Filterungssystem 105 umfasst.
Eine einstellbare lineare polarimetrische Empfindlichkeit wird eingeführt, indem ein drehbares Halbwellenlängenplättchen 106 vor dem Einspeisungshorn 104 angeordnet wird, wie in 15 gezeigt ist. Eine Empfindlichkeit auf kreispolarisiertes Licht kann durch die Verwendung eines Viertelwellenlängenplättchens an Stelle des Halbwellenlängenplättchens 106 eingeführt werden.
Ein Mehrkanal-Detektor kann so konfiguriert sein, dass ein Teil einer Szene, der bei einer Polarisation abgetastet wurde, durch einen folgenden Kanal, der typischerweise der nächste/benachbarte Kanal ist, bei einer anderen Polarisation abgetastet werden kann. Das würde die Verzögerung zwischen Abtastwerten eines Punkts in einer Szene bei unterschiedlichen Polarisationen verringern und demzufolge die Messgenauigkeit verbessern und würde außerdem die Notwen digkeit zum Wechseln der Wellenplättchen vor dem Einspeisungshorn 106 verringern. Ein 8 Kanal-Detektor kann z. B. zwei Hörner aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie horizontal polarisierte Strahlung empfangen, zwei Hörner, die so konfiguriert sind, dass sie vertikal polarisierte Strahlung empfangen, die beiden unter einem Winkel von 45° linear polarisierte Zustände werden durch zwei Hörner abgetastet und das linksdrehend und das rechtsdrehend kreispolarisierte Licht wird durch die restlichen beiden Hörner abgetastet.
Ein Drehsystem kann das Wellenplättchen schnell drehen und den zeitlichen Ausgang des Kanals messen, wodurch die gleichzeitige Erfassung von zeitlichen und polarimetrischen Signaturen ermöglicht wird.
Mäanderlinien oder dielektrische Plättchen mit Rippen auf einer oder beiden Seiten können verwendet werden, um Wellenplättchen mit Wellenlängen im Millimeter/Zentimeterbereich zu bilden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von Systemen mit Wellenlängen im Millimeter/Zentimeterbereich ist die Vibrometrie (Schwingungsmessung), wenn ein vibrierendes Objekt ein Ende eines Hohlraums bildet. Die Bewegungen dieses Objekts werden durch die Frequenzverschiebung der Streifen erfasst. Da Streifen bei allen Frequenzen gleichzeitig vorhanden sind, können die Daten bei allen Frequenzen verarbeitet werden, was zu großen Störabständen führt und eine sehr genaue Verlagerungsmessung ergibt, z. B. 20000 K und 40 GHz Bandbreite ergeben eine Verlagerungsgenauigkeit von 2 μm.
Es ist möglich, den Winkel zwischen dem Erdboden und einer Ober fläche, z. B. dem Winkel eines Daches, den Seiten von Gebäuden und Fahrzeugen zu berechnen, indem der Winkel der Polarisation von Strahlung, der das Bild bei minimaler Strahlungstemperatur ergibt, korreliert wird. Das kann zur Erkennung und Identifizierung von Objekten aus der Winkelausrichtung ihrer Oberflächen führen.
Somit kann z. B. ein System zur Kollisionsvermeidung für Hubschrauber, wie in 16 gezeigt ist, horizontal polarisiert sein, damit sich ein besserer Kontrast von Straßen und Dächern ergibt. Ein derartiges System könnte ein drehbares Halbwellenlängenplättchen verwenden, das vor der Hauptbilderzeugungseinrichtung angebracht ist. Eine Drehung des Halbwellenlängenplättchens um den halben Rollwinkel des Fluggeräts würde sicherstellen, dass die erfasste Ebene der Polarisation in Bezug auf den Erdboden konstant bleiben würde und somit Dächer und Straßen weiterhin bildlich dargestellt werden, wenn das Fluggerät manövriert wird.
Dagegen würde, siehe z. B. in 17, ein System zur Kraftfahrzeugerfassung/Kollisionsvermeidung Nutzen aus der vertikalen Polarisation ziehen, da diese die Störsignale von Dielektrika, wie etwa Straßen, Dächer usw., verringern würde, während trotzdem metallische Fahrzeugkarosserien dargestellt werden.
Diese Wirkung kann z. B. bei Flughafen-Sicherheitsscannern verwendet werden, bei denen die Modulation der Polarisation von ausgesendeter Strahlung zu einem besseren Kontrast und einer Unterscheidung zwischen Dielektrika, z. B. Sprengstoffen und Metallen, z. B. Feuerwaffen, führen kann.
In 18 umfasst ein Sicherheitsscanner 1800 zur Bilddarstellung mit Millimeterwellen eine quasi-thermische Strahlungsquelle 1802 und eine passive Mehrkanal-Millimeterwellen-Bilderzeugungsvorrichtung 1804. Die Strahlungsquelle 1802 ist typischerweise eine großflächige Quelle (Quellenfläche >> λ², bis zu mehreren Quadratmetern). Die Bilderzeugungsvorrichtung 1804 enthält eine Empfängeranordnung 1805, eine Hochfrequenz (HF)-Filterbank 1806, typischerweise Kammfilter, einen Prozessor 1807 und einen Bildschirm 1808.
Gewöhnlich besitzt jeder Empfängerkanal in der Bilderzeugungsvorrichtung 1804 Kammfilter, um die Frequenzstruktur zu bestimmen, die sich aus Hohlraumeffekten, z. B. infolge von Schichten aus Sprengstoff und Kleidung vor dem Körper eines Subjekts ergibt.
Die Strahlungsquelle 1802 sendet Breitband-Quasi-Wärmestrahlung aus, die in Fernfeld- und Bilderzeugungsanwendungen verwendet werden kann. Die ausgesendete Strahlung trifft auf ein Subjekt 1810, das den Scanner passiert. Hohlräume sind zwischen den Schichten der Kleidung 1812 des Subjekts und dem Subjekt 1810 vorhanden, wobei diese Hohlräume Ursache der radiometrischen Hohlraumstreifen sind, wie oben genau beschrieben wurde. Sollte das Subjekt 1810 z. B. eine Sprengvorrichtung 1814 tragen, die durch seine Kleidung 1812 verborgen ist, werden charakteristische radiometrische Hohlraumstreifen erzeugt.
Die Bilderzeugungsvorrichtung 1804 empfängt die radiometrischen Hohlraumstreifen, die der Breitband-Quasi-Wärmestrahlung überlagert sind, und verwendet die HF-Filterbank 1806, um den quasithermischen Strahlungshintergrund zu entfernen und die Signale der radiometrischen Hohlraumstreifen zu erfassen, die z. B. für die Sprengvorrichtung 1814 oder den Hohlraum zwischen der Kleidung 1812 und dem Subjekt 1810 kennzeichnend sind.
Ein analysiertes Signal wird zu dem Prozessor 1807 geleitet, in dem weitere Operationen ausgeführt werden, bevor ein Millimeterwellen-Bild einer Szene, die das Subjekt 1810 enthält, auf dem Bildschirm 1812 ausgegeben wird, das typischerweise vom Sicherheitspersonal betrachtet wird.

Claims

Vorrichtung (10) zur Objekterfassung, die eine Erfassungsanordnung (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Strahlungsquelle (34) enthält, die so beschaffen ist, dass sie wärmeähnliche Strahlung in einem Frequenzbereich der Größenordnung von 1 GHz und darüber bis 1000 GHz aussendet und dass die Erfassungsanordnung (12) Tunermittel (38) enthält, um eine Kohärenzlänge, die der Erfassungsanordnung (12) zugeordnet ist, zu ändern, wobei die Erfassungsanordnung (12) so beschaffen ist, dass sie Strahlung erfasst, die von der Quelle ausgesendet und von einem Hohlraum (48) reflektiert wird, der durch zwei Oberflächen oder Grenzflächen (46, 50) definiert ist, die um eine Strecke beabstandet sind, die kleiner als die Kohärenzlänge ist, wobei wenigstens eine Oberfläche des Hohlraums durch eine Oberfläche des Objekts gebildet wird und wobei das Objekt erfasst wird, indem die Frequenzantwort des Hohlraums, wenn dieser durch die Erfassungsanordnung erfasst wird, verarbeitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungsanordnung (12) so beschaffen ist, dass sie im Betrieb ausgesendete Strahlung, die von dem Hohlraum reflektiert wird, erfasst, wenn im Betrieb zwischen den Oberflächen oder Grenzflächen (46, 50) stehende Wellen aufgebaut werden.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Erfassungsanordnung (12) so beschaffen ist, dass sie im Betrieb ausgesendete Strahlung, die von dem Hohlraum reflektiert wird, erfasst, wenn im Betrieb in dem Hohlraum (48) stehende Wellen aufgebaut werden.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Strahlungsquelle (24) polychromatisch ist und im Betrieb mehrere stehende Wellen (51) aufgebaut werden.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Strahlungsquelle (34) im Betrieb inkohärente Strahlung liefert.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Erfassungsanordnung (12) ein Radiometer (36) ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Erfassungsanordnung (12) eine Anordnung aus Sensorelementen (32) enthält.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der eine Ausgangsleistung der Strahlungsquelle (34) kleiner als 1 nW ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Strahlung polarisiert ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Strahlungsquelle (34) ein Verstärker ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Verstärker (34), der erfasste Signale verstärkt, im Betrieb außerdem Strahlung aussendet.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der zwei Strahlungsquellen (34) vorgesehen sind und die Strahlung von den Quellen im Betrieb an einer Oberfläche des Hohlraums (48) gestört wird.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der zwei Strahlungsquellen (34) vorgesehen sind.
Verfahren zum Erfassen eines Objekts, wobei das Verfahren das die folgenden Schritte umfasst: (i) Vorsehen einer Erfassungsanordnung (12), die so beschaffen ist, dass sie Strahlung von einer Strahlungsquelle (34) erfasst; (ii) Vorsehen einer Strahlungsquelle (34), die so beschaffen ist, dass sie wärmeähnliche Strahlung im Frequenzbereich von 1 GHz bis 1000 GHz aussendet; (iii) Abstimmen einer Bandbreite, die der Erfassungsanordnung (12) zugeordnet ist, wodurch eine Kohärenzlänge, die ankommender Strahlung zugeordnet ist, geändert wird; (iv) Erfassen von Strahlung (51), die von der Quelle ausgesendet wird und in Resonanz von einem Hohlraum (48) reflektiert wird, der durch zwei Grenzflächen oder Oberflächen (46, 50) definiert ist, die um eine Strecke beabstandet sind, die kleiner als die Kohärenzlänge ist; und (v) Verarbeiten der Frequenzantwort des Hohlraums, wenn dieser durch die Erfassungsanordnung erfasst wird, um das Vorhandensein oder eine andere Eigenschaft eines Objekts zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 14, das den Schritt zum Bilden von stehenden Wellen (51) zwischen den Grenzflächen oder Oberflächen (46, 50) und zum Erfassen der reflektierten Strahlung, wenn derartige stehende Wellen aufgebaut werden, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, das den Schritt zum Bereitstellen der Erfassungsanordnung (12) in Form eines Radiometers (36) umfasst.
Sicherheitsscanner mit Millimeterwellen-Bilderzeugung, der eine Vorrichtung zur Objekterfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 enthält.
Scanner nach Anspruch 17, der eine Großflächen-Strahlungsquelle enthält.
Scanner nach einem der Ansprüche 17 und 18, bei dem die Erfassungsanordnung (12) ein System zur Millimeterwellen-Bilderzeugung enthält.
Scanner nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die Erfassungsanordnung (12) so beschaffen ist, dass sie ein aus Bildelementen bestehendes Bild einer Szene erzeugt.
Scanner nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Grenzflächen (46, 50) zwischen zwei beliebigen Elementen aus Folgendem gebildet sind: Körper des Subjekts, Kleidung des Subjekts, Sprengstoff, Sprengvorrichtung, Feuerwaffe, Klinge und irgendeine andere Waffe.