Title:
Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Oberflächen
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Oberflächen, umfassend ein Sende-/Empfangsarray (11), auf dem mindestens ein Sendemodul (12), das im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich arbeitet, sowie eine Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15), die im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich empfangen, in einer festen relativen Positionierung zueinander angeordnet sind, wobei weiterhin eine Ansteuerungsvorrichtung (16) vorgesehen ist, die das mindestens eine Sendemodul (12) und die Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) einzeln adressieren kann, wobei das Sendemodul (12) durch die Ansteuerungsvorrichtung (16) zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz angesteuert wird, wobei die Empfangsmodule (13, 14, 15) zur Erfassung der reflektierten und/oder gebrochenen Signale ausgebildet sind und Phase und Betrag des reflektierten Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul (13, 14, 15) zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul (12) als Empfangsdaten detektieren und wobei eine Rechnereinheit (17) vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Empfangsdaten der Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) ein Bild der zu vermessenden Oberfläche errechnet.





Inventors:
Resch, Johann (82064, Straßlach-Dingharting, DE)
Zähringer, Michael (83135, Schechen, DE)
Application Number:
DE102016108021A
Publication Date:
11/02/2017
Filing Date:
04/29/2016
Assignee:
Resch, Claudia, 82064 (DE)
International Classes:
G01S13/89; G01B15/04; G01S7/41
Foreign References:
201202997732012-11-29
Other References:
GARROD, A.: Digital modules for phased array radar. In: IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, 15.-18. October 1996, S. 81-86. - ISBN 0-7803-3232-6
Attorney, Agent or Firm:
Meissner Bolte Patentanwälte Rechtsanwälte Partnerschaft mbB, 80538, München, DE
Claims:
1. Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Oberflächen, umfassend ein Sende-/Empfangsarray (11), auf dem mindestens ein Sendemodul (12), das im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich arbeitet, sowie eine Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15), die im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich empfangen, in einer festen relativen Positionierung zueinander angeordnet sind,
wobei weiterhin eine Ansteuerungsvorrichtung (16) vorgesehen ist, die das mindestens eine Sendemodul (12) und die Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) einzeln adressieren kann,
wobei das Sendemodul (12) durch die Ansteuerungsvorrichtung (16) zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz angesteuert wird,
wobei die Empfangsmodule (13, 14, 15) zur Erfassung der reflektierten und/oder gebrochenen Signale ausgebildet sind und Phase und Betrag des reflektierten Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul (13, 14, 15) zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul (12) als Empfangsdaten detektieren
und wobei eine Rechnereinheit (17) vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Empfangsdaten der Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) ein Bild der zu vermessenden Oberfläche errechnet.

2. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sende-/Empfangsarray (11) eine Mehrzahl von Sendemodulen (12, 18, 19) in fester Positionierung zueinander vorgesehen ist, die von der Ansteuerungsvorrichtung (16) jeweils einzeln angesteuert werden können.

3. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungsvorrichtung (16) mit dem einen oder mehreren Sendemodulen (12, 18, 19) und den Empfangsmodulen (13, 14, 15) über BUS-Technologie kommunizieren.

4. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Mehrzahl von Sendemodulen (12, 18, 19) und Empfangsmodulen (13, 14, 15) eine aktuelle Konfiguration aktiver Sende- und Empfangsmodule durch die Ansteuerungsvorrichtung (16) frei wählbar und vorzugsweise auch in zeitlicher Abfolge mehrere unterschiedliche Konfigurationen auswählbar sind.

5. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, die mit der Ansteuerungsvorrichtung (16) und dem mindestens einen Sendemodul (12, 18, 19) und der Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15) in Wirkverbindung steht.

6. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lageinformationen mit Methoden der Trigonometrie aus Signallaufzeiten, Phase und/oder Betrag errechnet werden.

7. Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sende-/Empfangsarray (11) jeweils ein Sendemodul (12) und mindestens ein Empfangsmodul (13) zu einer gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheit (21) zusammengefasst sind.

8. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheiten (21) jeweils über eine eigene Sendeelektronik (22) und/oder eine eigene Empfangselektronik (23) verfügen.

9. Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das Sende-/Empfangsarray (11) ausbildenden Sende-/Empfangs-Baueinheiten (21) in reihenförmiger Anordnung dicht aneinander liegen und mindestens in einer Erstreckung eine Reihe, weiter bevorzugt drei Reihen, noch weiter bevorzugt fünf Reihen, noch weiter bevorzugt 7 Reihen, noch weiter bevorzugt mindestens 10 Reihen benachbart nebeneinander angeordnet sind und weiter vorzugsweise mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens sieben, weiter bevorzugt mindestens 80 Sende-/Empfangs-Baueinheiten (21) vorliegen.

10. Verfahren zur ortsauflösenden Vermessung von Oberflächen, wobei durch das Verfahren ein Bild der zu vermessenden Oberfläche erzeugt wird, unter Verwendung eines Sende-/Empfangsarrays (11), auf dem mindestens ein Sendemodul (12), das im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich arbeitet, sowie eine Mehrzahl von Empfangsmodulen (13, 14, 15), die Mikrowellen- und/oder Millimeterwellen empfangen, in einer festen relativen Positionierung zueinander angeordnet sind,
umfassend die folgenden Schritte:
– Veranlassen des Sendemoduls (12) zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz,
– Empfangen von Signalanteilen, die an der Oberfläche gebrochen oder reflektiert wurden, um Phase und Betrag des reflektierten und/oder gebrochenen Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul (13, 14, 15) zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul (12) als Empfangsdaten zu detektieren und
– Errechnen eines Bildes aus den gewonnenen Empfangsdaten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsmodule (13, 14, 15) Phase, Betrag und/oder spezifische Frequenzanteile des reflektierten oder gebrochenen Signals detektieren.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sendemodulen (12, 18, 19), die in einer festen relativen Positionierung zueinander auf dem Sende-/Empfangsarray (11) angeordnet sind, Verwendung finden und dass die Schritte
– Veranlassen des Sendemoduls (12, 18, 19) zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz und
– Empfangen von Signalanteilen, die an der Oberfläche reflektiert bzw. gebrochen werden, an den mehreren Empfangsmodulen (13, 14, 15) mehrfach mit unterschiedlich ausgewählter Konfiguration jeweils aktueller Sende- und Empfangsmodule durchgeführt werden und
– dass aus sämtlichen gewonnenen Empfangsdaten das Bild der Oberfläche errechnet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (16), das mindestens eine Sendemodul (12, 18, 19) und die Empfangsmodule (13, 14, 15) über eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung (20) gemeinsam synchronisiert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sendemodul (12, 18, 19) und die Empfangsmodule (13, 14, 15) mit der Ansteuervorrichtung (16) über BUS-Technologie miteinander kommunizieren.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung zur ortsauflösenden Vermessung von Oberflächen nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 10.

Dabei umfasst die Bilderzeugungsvorrichtung ein Sende-/Empfangsarray, auf dem mindestens ein Sendemodul, das im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 1 bis 300 GHz, arbeitet, sowie eine Mehrzahl von Empfangsmodulen, die im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 1 bis 300 GHz, empfangen, in einer festen relativen Position zueinander angeordnet sind. Das angesprochene Verfahren verwendet ein derartiges Sende-/Empfangsarray. Bislang konnten Oberflächen auch unter Einsatz elektromagnetischer Strahlung im für das menschliche Auge sichtbaren Frequenzbereich untersucht werden, wobei insbesondere Techniken der Bilderkennung sich in diesem Zusammenhang entwickelt haben. Allerdings können gerade bei Verwendung des spektralen Bereichs, der für das menschliche Auge sichtbar ist, größere Störfaktoren Bilderkennung und Bildanalyse erschweren, wie beispielsweise Streulicht, Sonneneinstrahlung, etc. Außerdem können Verschmutzungen optischer Systemkomponenten wie beispielsweise Linsen das Messergebnis stark beeinträchtigen.

Demgegenüber soll mit der vorliegenden Erfindung eine Bilderzeugungsvorrichtung sowie ein Verfahren angegeben werden, das mit elektromagnetischen Strahlen im Mikrowellen- und/oder Millimeterwellenbereich, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 1 bis 300 GHz, arbeitet und insbesondere weniger stark durch äußere Einflüsse gestört ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Bilderzeugungsvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Eine Kernüberlegung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass weiterhin eine Ansteuerungsvorrichtung vorgesehen ist, die das mindestens eine Sendemodul und die Mehrzahl von Empfangsmodulen einzeln adressieren kann, wobei das Sendemodul durch die Ansteuerungsvorrichtung zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz angesteuert wird, wobei die Empfangsmodule zur Erfassung der reflektierten und/oder gebrochenen Signale ausgebildet sind und Phase und Betrag des reflektierten Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul als Empfangsdaten detektieren und wobei eine Rechnereinheit vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Empfangsdaten der Mehrzahl von Empfangsmodulen ein Bild der zu vermessenden Oberfläche errechnet.

In verfahrenstechnischer Hinsicht sind folgende Schritte vorgesehen:

  • – Veranlassen des Sendemoduls zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz,
  • – Empfangen von Signalanteilen, die an der Oberfläche gebrochen oder reflektiert wurden, um Phase und Betrag des reflektierten und/oder gebrochenen Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul als Empfangsdaten zu detektieren und
  • – Errechnen eines Bildes der zu vermessenden Oberfläche aus den gewonnenen Empfangsdaten.

Dadurch, dass die vorliegende Bilderzeugungsvorrichtung bzw. das vorliegende Verfahren mit Mikrowellen arbeitet, sind die geschilderten optischen Störeinflüsse deutlich reduziert. Es muss allerdings eine Einbuße bei der Auflösung aufgrund der größeren Wellenlänge gegenüber dem elektromagnetischen Spektrum im sichtbaren Bereich hingenommen werden.

Dadurch, dass reflektierte und/oder gebrochene Signale an unterschiedlichen Empfangsmodulen erfasst werden, können ortsaufgelöste Informationen bezogen auf die zu untersuchende Oberfläche erhalten werden. Über die vorgesehene Rechnereinheit wird aus den gewonnenen Empfangsdaten und der Mehrzahl von Empfangsmodulen letztendlich ein Bild der zu vermessenden Oberfläche errechnet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bilderzeugungsvorrichtung ist vorgesehen, dass auf dem Sende-/Empfangsarray eine Mehrzahl von Sendemodulen in fester Positionierung zueinander vorgesehen ist und dass diese von der Ansteuerungsvorrichtung jeweils einzeln angesteuert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, zeitlich versetzt oder gleichzeitig elektromagnetische Strahlung mit einem vorbekannten Spektrum in Richtung auf die Oberfläche auszusenden, an der sie reflektiert bzw. gebrochen und von den mehreren Empfangsmodulen detektiert wird. Hierdurch kann die Qualität der ortsauflösenden Vermessung noch erhöht werden, insbesondere wenn Signale von unterschiedlichen Sendepositionen aus abgesandt werden.

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

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind aus der Mehrzahl von Sendemodulen und Empfangsmodulen eine aktuelle Konfiguration aktiver Sende- und Empfangsmodule durch die Ansteuerungsvorrichtung frei wählbar. Darüber hinaus sind vorzugsweise auch in zeitlicher Abfolge mehrere unterschiedliche Konfigurationen auswählbar. Somit kann das zu errechnende Bild bei der nachgeschalteten Bildberechnung in der Rechnereinheit aus mehreren Messungen berechnet werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Berechnung und ermöglicht es auch, bei komplexeren Konturen des zu untersuchenden Gegenstands ein Bild zu berechnen.

Eine exakte zeitliche Abstimmung zwischen den verschiedenen Sende- und Empfangsvorgängen ist notwendig zur Synchronisiereung der Phasen. Außerdem können einerseits aus den Signallaufzeiten Distanzinformationen gewonnen werden, andererseits muss die Veränderung der Frequenz des ausgesendeten Signals extrem präzise gesteuert werden. Bevorzugtermaßen ist daher eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung vorgesehen, die mit der Ansteuerungsvorrichtung und dem mindestens einen Sendemodul und der Mehrzahl von Empfangsmodulen in Wirkverbindung steht.

Lageinformationen über Punkte auf der zu vermessenden Oberfläche können vorzugsweise mit Methoden der Trigonometrie aus Phase und Betrag des reflektierten Signals errechnet werden. Dies ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Ermittlung von Lageinformationen, die dann zur Berechnung der Oberfläche verwendet werden können.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind auf dem Sende-/Empfangsarray jeweils ein Sendemodul und ein Empfangsmodul zu einer gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheit zusammengefasst. In einer nochmals bevorzugten Weiterbildung verfügen die gemeinsamen Sende-/Empfangs-Baueinheiten jeweils über eine eigene Sendeelektronik und/oder eine eigene Empfangselektronik. Hierdurch sind autarke Untereinheiten gebildet. Die Leistungselektronik ist damit an Ort und Stelle vorgesehen. Lediglich Ansteuerung und Kommunikation von Empfangsdaten sind dann zwischen Ansteuerungsvorrichtung und Sende-/Empfangsbaueinheit abzuwickeln. Darüber hinaus ermöglicht diese Bauweise einen schnellen Austausch defekter Sende-/Empfangsbaueinheiten, was die Wartung der Bilderzeugungsvorrichtung erheblich vereinfacht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sende-/Empfangsbaueinheit einen Chip, auf dem zumindest Teile der vorgenannten Elektronikeinheiten implementiert sein können.

Das Sende-/Empfangsarray umfasst bevorzugtermaßen eine Mehrzahl von Sende-/ Empfangsbaueinheiten in reihenförmiger Anordnung dicht aneinanderliegend, wobei bevorzugtermaßen wenigstens in einer Erstreckung eine Reihe, weiter bevorzugt drei Reihen, noch weiter bevorzugt fünf Reihen, noch weiter bevorzugt sieben Reihen, noch weiter bevorzugt mindestens zehn Reihen benachbart nebeneinander angeordnet sind und weiter vorzugsweise mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens sieben, weiter bevorzugt mindestens 80 Sende-/Empfangs-Baueinheiten insgesamt vorliegen. Vom geometrischen Aufbau her ist das Sende-/Empfangsarray einem Facettenauge insofern nachempfunden, als eine Vielzahl von Sendemodulen und Empfangsmodulen dicht aneinanderliegend nebeneinander angeordnet sind.

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

  • – Veranlassen des Sendemoduls zur Aussendung eines Signals mit zeitlich veränderbarer Frequenz und
  • – Empfangen von Signalanteilen, die an der Oberfläche gebrochen oder reflektiert wurden, um Phase und Betrag des reflektierten und/oder gebrochenen Signals jeweils an dem dem Empfangsmodul zugeordneten Ort relativ zum Sendemodul als Empfangsdaten zu detektieren durchgeführt werden und
  • – dass aus den gewonnenen Empfangsdaten ein Bild der untersuchten Oberfläche errechnet wird.

Durch die zeitliche Variation der Frequenz des ausgesendeten Signals lässt sich mittels Vergleich der Frequenzen von ausgesendetem und empfangenem Signal die Laufzeit des ausgesandten Signals mit hoher Präzision bestimmen. Anhand der Auswertung von Phase und Betrag der detektierten Signale ist es möglich, den Verlauf einer Oberfläche, an der das ausgesandte Signal reflektiert wurde, zu berechnen.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Ansteuerungsvorrichtung, das mindestens eine Sendemodul und die Empfangsmodule über eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung gemeinsam synchronisiert. Zur Synchronisierung der Phasen ist eine gemeinsame Zeitreferenz von entscheidender Bedeutung. Bevorzugtermaßen geschieht dies über eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung, die eine gemeinsame Synchronisierung von Ansteuerungsvorrichtung, Sendemodul und Empfangsmodulen vornimmt.

Um die anfallenden Datenvolumina, insbesondere Steuersignale und Empfangssignale bzw. Empfangsdaten, zwischen Ansteuerungsvorrichtung und Sendemodulen bzw. Empfangsmodulen kommunizieren zu können, wird bevorzugtermaßen für diese Kommunikation BUS-Technologie eingesetzt.

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

1a eine schematische Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

1b eine schematische Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2a eine perspektivische Ansicht einer Sende-/Empfangsbaueinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2b einen Schnitt der Sende-/Empfangsbaueinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

3 ein schematisches Blockschaltbild der Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

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

5a eine schematische Ansicht einer Sende-/Empfangsbaueinheit und einer zu vermessenden Oberfläche zur Erläuterung der Entfernungsbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

5b eine schematische Ansicht zweier Sende-/Empfangsbaueinheiten und einer zu vermessenden Oberfläche zur Erläuterung der Lageerkennung der zu vermessenden Oberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

6 eine schematische Darstellung einer Konfiguration aktiver Sende- und Empfangsmodule des Sende-/Empfangsarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

7a, b, c zeitliche Verläufe der Frequenz von Sende-, Empfangs- und Differenzsignalen zur Signallaufzeitbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1a zeigt eine Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Sende-/Empfangsarray 11 weist eine flächige Anordnung einer Vielzahl von Sendemodulen 12, 18, 19 und Empfangsmodulen 13, 14, 15 auf. Die Sende- und Empfangsmodule sind jeweils paarweise auf drei hexagonalen Baueinheiten vorgesehen, die feste Positionierungen zueinander aufweisen. In jedem Hexagon auf dem Sende-/Empfangsarray 11 sind ein Sendemodul 12 und ein Empfangsmodul angeordnet. Jedes Hexagon bildet somit eine Sende-/Empfangsbaueinheit 21.

1b zeigt eine Vorderansicht eines Sende-/Empfangsarrays 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind insgesamt sieben Sende-/Empfangsbaueinheiten 21 vorgesehen, die auf einem hexagonalen Raster ähnlich einem Facettenauge angeordnet sind und wiederum feste Positionierungen aller Elemente zueinander aufweisen.

2a zeigt eine perspektivische Ansicht einer solchen Sende-/Empfangsbaueinheit 21. Das Sendemodul 12 und das Empfangsmodul 13 weisen Antennenelemente auf, die als Rundhohlleiter 27 in Form von metallischen Röhrchen gebildet sind. Die Rundhohlleiter 27 sind auf einem Basis-Modul 25 befestigt, das durch eine hexagonale Platine gebildet ist. In 2b ist ein Schnitt der Sende-/Empfangsbaueinheit 21 gezeigt. Die Abschlussflächen auf dem Basis-Modul 25 sind metallisch beschichtet, so dass die Rundhohlleiter 27 zusammen mit dem Basis-Modul 25 einen einseitig geschlossenen Hohlleiter bilden. Beide Rundhohlleiter 27 besitzen in ihrem Inneren einen (nicht gezeigten) Mikrowellen- bzw. Millimeterwellenstrahler, der die entsprechende Strahlung emittiert bzw. absorbiert. Die Rundhohlleiter 27 bewirken eine Richtwirkung der Sende- und Empfangsmodule senkrecht zur Arrayebene. Außerdem werden durch die Rundhohlleiter 27 benachbarte Sende- und Empfangselemente gegeneinander abgeschirmt. Die maximal mögliche Sendeleistung ist durch Überkopplungen zwischen benachbarten Sende- und Empfangsmodulen begrenzt, weswegen diese Überkopplungen so weit wie möglich begrenzt werden müssen. Aufgrund der Abschirmungswirkung der Rundhohlleiter 27 können die Abstände zwischen Sende- und Empfangsmodulen, und somit das Sende-/Empfangsarray 11, klein gehalten werden.

Auf der Platine des Basis-Moduls 25 ist die Sende- und Empfangselektronik 22, 23 für die Sende- und Empfangsmodule 12, 13 untergebracht. Diese umfasst neben Elektronik zur Aufbereitung der Betriebs- und Arbeitsfrequenzen auch die Auswerteelektronik. Alle elektronischen Bauteile, die zum Betrieb der Sende- und Empfangsmodule 12, 13 benötigt werden, sowie Auswerteelektronik sind in der Sende-/Empfangsbaueinheit 21 integriert. So ist eine autarke und kompakte Einheit gebildet, die sich aufgrund der hexagonalen Struktur zu dem dichten und regelmäßigen Sende-/Empfangsarray 11 aus 1 anordnen lassen. Da jede Sende-/Empfangsbaueinheit 21 identisch aufgebaut ist, können sie in großer Stückzahl hergestellt werden. Auch der Austausch einzelner Sende-/Empfangsbaueinheiten 21 ist somit einfach möglich.

In 3 ist ein schematisches Blockschaltbild der Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Eine Vielzahl von Sende-/Empfangsbaueinheiten 21, die das Sende-/Empfangsarray 11 bilden, sind mit einer Leiterplatte 28 verbunden, auf der Elektronik zur Generation von Mikrowellensignalen und Verstärkung sowie Auswertung der empfangenen Signale untergebracht ist. Diese ist mit einer Steuerplatine 29 verbunden, auf der sich eine Ansteuerungsvorrichtung 16 und eine Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20 befinden, deren Funktionsweise im Folgenden erklärt wird. Die Steuerplatine 29 ist mit einer Recheneinheit 17 verbunden, auf der eine weitere Verarbeitung der Signaldaten möglich ist.

4 zeigt einen Schnitt eines Sensors, der das Sende-/Empfangsarray 11 umfasst. Der Sensor hat eine kreisförmige Front mit einem sich verjüngenden Gehäuse, das in einen Schaft ausläuft. Eine Abdeckung 30 bedeckt die Vorderseite des Sensors. Die Abdeckung 30 ist aus einem Kunststoff gefertigt, der für die verwendeten Mikrowellen transparent ist, beispielsweise aus 1,5 mm starkem TEFLON (oder Keramik oder noch einem anderen Material).

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

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

Im Schaft des Sensors befindet sich die Steuerplatine 29, die mit der kreisscheibenförmigen Leiterplatte 28 verbunden ist. Auf der Steuerplatine 29 befinden sich eine Stromversorgung für die gesamte Vorrichtung, die Ansteuerungsvorrichtung 16, die Synchronzeiterzeugungsvorrichtung 20, sowie Signalverarbeitungselemente, die eine Vorverarbeitung der gewonnen Daten übernehmen, und ein Anschluss für den Sensor an die Rechnereinheit 17 (nicht gezeigt), auf der die vorverarbeiteten Daten weiter verarbeitet werden können. Die Verbindung wird über Ethernet hergestellt. Dazu benötigte Elektronik (nicht gezeigt) ist ebenfalls auf der Steuerplatine 29 angeordnet

Die Ansteuerungsvorrichtung 16 steuert den Bildgebungsprozess. Die Ansteuerungsvorrichtung 16 kann jedes Sendemodul 12, 18, 19 und jedes Empfangsmodul 13, 14, 15 einzeln ansteuern. Die Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt über einen seriellen Datenbus. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies der I2C-Datenbus (Inter-Integrated-Circuit-Bus). Als Master fungiert hierbei die Ansteuerungsvorrichtung 16, die die abgestimmte Steuerung der am Bildgebungsprozess beteiligten Komponenten steuert.

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

Im Folgenden wird ein Verfahren zur ortsauflösenden Vermessung von Oberflächen unter Verwendung der eben beschriebenen Bilderzeugungsvorrichtung beschrieben.

Die ortsauflösende Vermessung einer Oberfläche 40 basiert auf der Messung der Phase und des Betrags eines von einem Sendemodul 12 ausgesendeten Signals, das von der Oberfläche 40 reflektiert wird und von einem Empfangsmodul 13 detektiert wird. In 5a ist eine perspektivische Ansicht der gegenseitigen Lage der Oberfläche 40 und einer Sende-/Empfangsbaueinheit 21 gezeigt. Die Oberfläche 40 verläuft parallel zu der Oberfläche der Sende-/Empfangsbaueinheit 21. Ein von dem Sendemodul 12 ausgesendetes Signal wird von der Oberfläche 40 reflektiert und an dem Empfangsmodul 13 detektiert. Die Laufzeit des Signals wird in eine Signallaufstrecke umgerechnet. Da die gegenseitige Lage des Sendemoduls 12 und des Empfangsmoduls 13 auf der Sende-/Empfangsbaueinheit 21 bekannt ist, lässt sich mittels trigonometrischer Berechnungen die Entfernung zwischen Sende-/Empfangsbaueinheit 21 und Oberfläche 40 berechnen.

5b zeigt eine mögliche Applikation in einem Fall, in dem die Oberfläche 40 nicht parallel zu der Oberfläche des Sende-/Empfangsarrays 11 verläuft. Um die Raumlage der Oberfläche 40 zu bestimmen, bedarf es in diesem Fall mehrerer Sende-/Empfangsbaueinheiten 21. In dem in 5b gezeigten Beispiel sendet zunächst das Sendemodul 12 ein Signal aus, das von dem zugehörigen Empfangsmodul 13 auf der gleichen Sende-/Empfangsbaueinheit empfangen wird und aus dessen Laufzeit der Abstand des Reflektionspunktes auf der Oberfläche 40 berechnet werden kann. Danach wird das Sendemodul 18 zur Aussendung eines Signals angesteuert und das Empfangsmodul 14 empfängt das reflektierte Signal, um die Distanz des zugehörigen Reflektionspunktes auf der Oberfläche 40 zu bestimmen. Aus der bekannten gegenseitigen Lage der Sende-/Empfangseinheiten 21 und damit aller Sendemodule 12, 18 und Empfangsmodule 13, 14 kann so die Lage der Oberfläche 40 bestimmt werden.

Bei der Vermessung komplexerer Oberflächen ist es möglicherweise vorteilhaft, eine komplexere Messkonfiguration zu verwenden. Da alle Sende- und Empfangsmodule auf dem Array 11 individuell ansteuerbar sind und untereinander, wie oben beschrieben, per BUS-Kommunikation erfolgt, können beliebige Messkonfigurationen zur Erzeugung von Bildinformation verwendet werden. 6 zeigt schematisch eine solche Messkonfiguration des Sende-/Empfangsarrays 11. In der gezeigten Konfiguration sind vier Sende-/Empfangseinheiten aktiviert. Die oberste Sende-/Empfangsbaueinheit 21a ist in dieser Konfiguration als Sendeeinheit gesetzt. Das zugehörige Sendemodul 12a wird von der Ansteuerungsvorrichtung 16 angesteuert, Mikrowellensignale auszusenden. Das zugehörige Empfangsmodul 13a ist ebenfalls aktiviert. Die übrigen drei aktiven Sende-/Empfangsbaueinheiten 21b sind als Empfänger gesetzt, hier sind also lediglich die Empfangsmodule aktiviert. Alle aktivierten Empfangsmodule messen die Laufzeit des von dem Sendemodul 12a ausgesandten Signals, das an der vermessenen Oberfläche reflektiert wird. Aus trigonometrischen Beziehungen kann ortsaufgelöste Information über die zu vermessende Oberfläche gewonnen werden. Da die Empfangsmodule Phase und Betrag des reflektierten Signals detektieren, können so detaillierte Informationen über die Topologie der zu vermessenden Oberfläche gewonnen werden. Die verwendeten Messkonfigurationen können dynamisch verändert werden. Für die ortsauflösende Vermessung der Oberfläche können die Messergebnisse mehrerer Messkonfigurationen kombiniert werden.

Für das beschriebene Messverfahren wird die Frequenz des von den Sendemodulen ausgesandten Signals zeitlich verändert. 7a zeigt den zeitlichen Frequenzverlauf des ausgesandten Signals 51 bei einer Messung. Die Sendefrequenz wird zyklisch linear, logarithmisch oder sprunghaft (oder auf eine noch andere Art) variiert, analog einer Sägezahnspannung. Dies wird auch als Wobbeln bezeichnet.

In 7b ist der zeitliche Verlauf der Frequenz des Sendesignals 51 zusammen mit dem zeitlichen Verlauf eines detektierten Signals 52 dargestellt. Aufgrund des Laufzeitunterschieds ist die Frequenz des detektierten Signals 52 zeitlich konstant verschoben.

Durch Subtraktion der Signale 51 und 52 erhält man das in 7c gezeigte Differenzsignal 53. Die Frequenz des Differenzsignals 53 ist zeitlich konstant und steht in direktem Zusammenhang mit der Laufzeit. Bei bekannter Änderungsrate des ausgesandten Signals 51 lässt sich somit aus der Frequenz des Differenzsignals 53 die Signallaufzeit bestimmen, die dann in eine Signallaufstrecke umgerechnet wird und als Grundlage für die ortsauflösende Vermessung der Oberfläche 40 dient.

Bezugszeichenliste

11
Sende-/Empfangsarray
12, 18, 19
Sendemodul
13, 14, 15
Empfangsmodul
16
Ansteuerungsvorrichtung
17
Rechnereinheit
20
Synchronzeiterzeugungsvorrichtung
21
Sende-/Empfangsbaueinheit
22
Sendeelektronik
23
Empfangselektronik
25
Basis-Modul
26, 27
Rundhohlleiter
28
runde Leiterplatte
29
Steuerplatine
30
Abdeckung
40
Oberfläche
51
Sendesignal
52
detektiertes Signal
53
Differenzsignal