Title:
Verfahren zur Ortung eines beweglichen Objektes sowie Transponder hierzu
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird Verfahren zur Ortung eines beweglichen Objektes (1) angegeben, bei dem ein chiploser, passiver Transponder (3, 31), der durch mehrere Teilflächen (6, 7, 8, 9) mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist, von einer Radarstation (5) mit polarisierten elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird, wobei der Transponder (3, 31) oder die Radarstation (5) auf dem Objekt (1) angeordnet ist, von der Radarstation (5) die am Transponder (3, 31) reflektierten Wellen erfasst werden, aus den reflektierten Wellen ein polarisationskodiertes Bild erzeugt und der Transponder (3, 31) anhand des polarisationskodierten Bildes erkannt wird, anhand des erkannten Transponders (3, 31) das Objekt (1) identifiziert und auf eine aktuelle Position des identifizierten Objektes (1) geschlossen wird. Weiter wird ein entsprechender Transponder (3, 31) angegeben.




Inventors:
Vossiek, Martin (90766, Fürth, DE)
Thurn, Karsten (91052, Erlangen, DE)
Pöpperl, Maximilian (96231, Bad Staffelstein, DE)
Adametz, Julian (90489, Nürnberg, DE)
Application Number:
DE102016213330A
Publication Date:
03/08/2018
Filing Date:
07/21/2016
Assignee:
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 91054 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102015117712A1N/A2017-04-20
DE202010018131U1N/A2014-04-11
DE19709847A1N/A1998-09-03



Foreign References:
200502805042005-12-22
200900145202009-01-15
200902311042009-09-17
WO1990013495A11990-11-15
WO2013096995A12013-07-04
WO2000039604A12000-07-06
EP19931682008-11-19
EP27678492014-08-20
WO2011098719A22011-08-18
WO2015041295A12015-03-26
WO2009126999A12009-10-22
Other References:
S. Preradovic, N. C. Karmakar, I. Balbin; „RFID Transponders“, IEEE Microwave Magazine, Oktober 2008, Seiten 90–103
M. Zomorrodi, N. C. Karmakar: „Image-based Chipless RFID System with High Content Capacitiy for Low Cost Tagging“, IEEE International Microwave and RF Conference, Seiten 41 bis 44, 15. bis 17. Dezember 2014
M. A. Islam, N. C. Karmakar: „Design of a 16-bit Ultra Low Cost Fully Printable Slot-Loaded Dual-Polarized Chipless RFID Tag“, Proceedings of the Asia-Pacific Microwave Conference, Seiten 1482 bis 1485, 5. bis 8. Dezember 2011
A. Vena, E. Perret, S. Tedjni: „A Depolarizing Chipless RFID Tag for Robust Detection and its FCC Compliant UWB Reading System“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 61, 2013, Nr. 8, Seiten 2982–2994
J. Adametz, L.-P. Schmidt: „Thread object classification with a close range polarimetric imaging system by means of H-alpha decomposition“, European Radar Conference, Seiten 77–80, 9. bis 11. Oktober 2013
T. Moriama, S. Uratsuka, Y. Yamaguchi: „A Study of Extraction of Urban Areas from Polarimetric Synthetic Aperture Radar image“, IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, Seiten 703–706, 20. bis 24. September 2004
Attorney, Agent or Firm:
FDST Patentanwälte Freier Dörr Stammler Tschirwitz Partnerschaft mbB, 90411, Nürnberg, DE
Claims:
1. Verfahren zur Ortung eines beweglichen Objektes (1), bei dem
– ein chiploser, passiver Transponder (3, 31), der durch mehrere Teilflächen (6, 7, 8, 9) mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist, von einer Radarstation (5) mit polarisierten elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird, wobei der Transponder (3, 31) oder die Radarstation (5) auf dem Objekt (1) angeordnet ist,
– von der Radarstation (5) die am Transponder (3, 31) reflektierten Wellen erfasst werden,
– aus den reflektierten Wellen ein polarisationskodiertes Bild erzeugt und der Transponder (3, 31) anhand des polarisationskodierten Bildes erkannt wird,
– anhand des erkannten Transponders (3, 31) das Objekt (1) identifiziert und auf eine aktuelle Position des identifizierten Objektes (1) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Transponder (3, 31) aus dem polarisationscodierten Bild durch analytisches Berechnen der polarimetrischen Eigenschaft wenigstens einer Teilfläche (6, 7, 8, 9) erkannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transponder (3, 31) anhand eines Bildvergleichs wenigstens eines Teilbilds des polarisationscodierten Bildes mit wenigstens einem Referenzbild erkannt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das polarisationscodierte Bild einer Pauli-Zerlegung unterzogen wird und der Transponder (3, 31) anhand wenigstens einer polarimetrischen Eigenschaft einer Teilfläche (6, 7, 8, 9) aus wenigstens einem pauli-zerlegten Bild erkannt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Transponder (3, 31) eingesetzt wird, der wenigstens eine Teilfläche (6, 7, 8, 9) mit einer polarimetrisch wirksamen Struktur (16, 17, 18) umfasst.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Transponder (3, 31) eingesetzt wird, der wenigstens eine Teilfläche mit einem polarimetrisch wirksamen Material (19) umfasst.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Objekt (1) ein sich entlang einer Längsachse (18) erstreckender Transponder (3) zugeordnet wird, dessen Teilflächen (6, 7, 8, 9) jeweils als die Längsachse (18) umlaufende Teilmantelflächen gebildet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Transponder (3) entlang der Längsachse (18) aus scheibenförmigen, jeweils die umlaufenden Teilmantelflächen ausbildenden Teilsegmenten (26, 27, 28, 29) zusammengesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Objekt (1) die Radarstation (5) zugeordnet wird, und wobei ein flächiger Transponder (31) eingesetzt wird, dessen Teilflächen (6, 7, 8, 9) entlang einer Längsachse (18) nebeneinander angeordnet sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Objekt (1) ein Fahrzeug (2) eingesetzt wird.

11. Passiver, chiploser Transponder (3, 31), der sich entlang einer Längsachse (18) erstreckt und durch mehrere Teilflächen (6, 7, 8, 9) mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist, wobei die Teilflächen (6, 7, 8, 9) entlang der Längsachse (18) aufeinander abfolgend angeordnet sind.

12. Transponder (3) nach Anspruch 11, dessen Teilflächen (6, 7, 8, 9) jeweils als die Längsachse (18) umlaufende Teilmantelflächen gebildet sind.

13. Transponder (3) nach Anspruch 12, der entlang der Längsachse (18) aus scheibenförmigen, jeweils die umlaufenden Teilmantelflächen ausbildenden Teilsegmenten (26, 27, 28, 29) zusammengesetzt ist.

14. Transponder (31) nach Anspruch 11, der flächig ausgebildet ist.

15. Transponder (3, 31) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, der wenigstens eine Teilfläche (6, 7, 8, 9) mit einer polarimetrisch wirksamen Struktur (16, 17, 18) umfasst.

16. Transponder (3, 31) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, der wenigstens eine Teilfläche (6, 7, 8, 9) mit einem polarimetrisch wirksamen Material (19) umfasst.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines beweglichen Objektes, bei dem ein chiploser, passiver Transponder verwendet wird, der durch mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist, und bei dem der Transponder mittels Radartechnologie identifiziert wird. Die Erfindung betrifft auch einen passiven, chiplosen Transponder, der für das Verfahren zu Ortung eines beweglichen Objektes geeignet ist.

RFID(„Radio Frequency Identification“)-Systeme mit einem Lese- bzw. Abfragegerät und einem abzufragenden Transponder kommen in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz. Transponder (auch als „RFID-Tags“ bezeichnet) können dabei grundsätzlich anhand ihres Aufbaus in aktive, semi-passive und passive Systeme unterteilt werden, wie dies beispielsweise in S. Preradovic, N. C. Karmakar, I. Balbin; „RFID Transponders“, IEEE Microwave Magazine, Oktober 2008, Seiten 90–103, beschrieben ist.

Des Weiteren wird zwischen chiplosen und chipbasierten Transpondern unterschieden, wobei aktive und semi-passive Systeme im Allgemeinen chipbasierte Transponder nutzen. Allerdings können auch passive Transponder Halbleiterchips zur Informationsspeicherung besitzen (siehe z.B. EP 1 993 168 A2). Nachteile von chipbasierten Transpondern sind ihre vergleichsweise hohen Kosten und ihre Anfälligkeit gegen äußere Einflüsse wie hohe oder sehr niedrige Temperaturen, mechanischer Schock und Vibrationen, was eine Folge der Empfindlichkeit der eingesetzten Halbleiterbauelemente und der zugehörigen Aufbau- und Verbindungstechnik ist. Ein weiterer Nachteil chipbasierter Transponder ist die Notwendigkeit einer Energieversorgung zur Versorgung der Halbleiterchips und bei aktiven chipbasierten Transpondern, die durch eine Batterielaufzeit begrenzte Lebendauer.

Chiplose Transponder können wiederum aufgeteilt werden in Transponder für zeitbereichsbasierte (TDR), frequenzbasierte (FDR) oder bildbasierte Systeme.

TDR-Systeme nutzen aufgrund ihrer Funktionsweise OFW(Oberflächenwellen)-Transponder oder Mikrowellen-Transponder. Mikrowellen-Transponder codieren ihre Information in ihrer Impulsantwort, wobei lange Verzögerungszeiten auf dem Transponder nötig sind. Diese Verzögerungszeiten zu realisieren müssen große geometrische Strukturen verwendet werden, wodurch erhöhte Verluste und in vielen Fällen eine Dispersion auftreten können. Bei OFW-Transpondern kann eine benötigte Verzögerungszeit durch eine Wellenkonversion von elektromagnetischen zu akustischen Wellen erzielt werden, da akustische Wellen deutlich langsamere Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen. Die Information kann bei OFW-Transpondern analog zu mikrowellenbasierten Systemen codiert werden, wie dies beispielsweise in der WO 2000 039 604 A1 offenbart ist. Eine Wellenkonversion erzeugt allerdings hohen Verlust, was die Reichweite solcher Systeme reduziert.

FDR-Systeme werten eine Frequenzantwort eines Transponders aus, wobei meist resonante Strukturen verwendet werden, wie dies beispielsweise in der WO 2011 098 719 A4 oder in der WO 2009 126 999 A1 beschrieben ist. Resonanzen von Strukturen des Transponders müssen dabei voneinander trennbar sein. Es gibt Ansätze, eine Trennung der Resonanzen anhand der Frequenzen oder räumlich durchzuführen.

Bei räumlicher Trennung können bildgebende Systeme verwendet werden; siehe zum Beispiel M. Zomorrodi, N. C. Karmakar: „Image-based Chipless RFID System with High Content Capacitiy for Low Cost Tagging“, IEEE International Microwave and RF Conference, Seiten 41 bis 44, 15. bis 17. Dezember 2014. Dabei wird die Auswertung der Polarisation der abgestrahlten und empfangenen elektromagnetischen Wellen verwendet, um Störungen durch zum Beispiel Mehrwegausbreitungen zu reduzieren. Eine weitere Anwendung der Polarisation in RFID-Tags ist der sogenannte Polarisatinsmultiplex, bei dem zwei Datenkanäle mithilfe der Polarisation getrennt werden, wie dies beispielsweise in M. A. Islam, N. C. Karmakar: „Design of a 16-bit Ultra Low Cost Fully Printable Slot-Loaded Dual-Polarized Chipless RFID Tag“, Proceedings of the Asia-Pacific Microwave Conference, Seiten 1482 bis 1485, 5. bis 8. Dezember 2011 oder in der WO 2013 096 995 A1 offenbart ist. Zusätzlich kann mithilfe von Polarisation bei FDR-Tags eine Amplitudenmodulation erzielt werden, wie dies beispielsweise A. Vena, E. Perret, S. Tedjni: „A Depolarizing Chipless RFID Tag for Robust Detection and its FCC Compliant UWB Reading System“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. 61, 2013, Nr. 8, Seiten 2982–2994, offenbart ist. Ein Beispiel zur Informationskodierung mittels Polarisations- und Phasenzuständen mit Hilfe von resonaten, planaren Antennenstrukturen ist in US 2005 0280504 A1 offenbart.

Die Anwendung von chiplosen RFID-Transpondern ist mittlerweile sehr vielfältig, insbesondere soll hierdurch der verbreitete Barcode ersetzt werden, da dieser etliche Nachteile wie eine Nichtlesbarkeit bei Verschmutzung oder Verwitterung hat. Des Weiteren kann ein solcher Transponder zur Lokalisierung oder Tracking von Objekten (siehe z.B. DE 197 098 47 A1 oder DE 20 2010 018 131 U1) sowie als Sensor zum Messen von Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit (siehe z.B. WO 199 013 495 A1) verwendet werden.

Ein Nachteil chiploser RFID-Systeme ist allerdings ihre hohe benötigte Bandbreite, welche sowohl bei TDR- als auch bei FDR-Systemen für eine hohe Datenkapazität notwendig ist. Dabei ist die Bandbreite aufgrund gesetzlicher Regulierungen nicht beliebig einstellbar. Die Datenkapazität ist bei derartigen Systemen stark eingeschränkt. So können zum Beispiel bei mikrowellenbasierten TDR-Systemen Datenkapazitäten von 16 Bit und bei FDR-Systemen Datenkapazitäten von bis zu 35 Bit erzielt werden. Für OFW-Transponder sind Datenraten von 96 Bit kommerziell verfügbar.

Dabei ist die Herstellung von OFW-Transpondern nicht kostengünstig realisierbar. Neben aufwändigem Strukturieren müssen spezielle Materialen wie LiNbO3 verwendet werden. Für FDR-Transponder müssen Materialen verwendet werden, deren Permittivität genau bekannt ist. Für TDR-Transponder, die für Mikrowellensysteme gedacht sind, müssen dispersions- und verlustarme Materialien verwendet werden. Die Materialien und Strukturen der beschriebenen chiplosen RFID-Transponder sind bisher auch nicht für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Reichweite aller bisherigen RFID-Systeme mit chiplosen passiven Transpondern.

Die Polarimetrie ist grundsätzlich bei einer Vielzahl von Radar-Anwendungen und insbesondere bei hochauflösenden, bildgebenden Systemen verbreitet. Polarisationsagile bildgebende Systeme werden unter anderem in der Erdfernerkundung (siehe z.B. WO 2015 041 295 A1) oder in der Sicherheitstechnik (siehe J. Adametz, L.-P. Schmidt: „Thread object classification with a close range polarimetric imaging system by means of H-alpha decomposition“, European Radar Conference, Seiten 77–80, 9. bis 11. Oktober 2013) eingesetzt. In allen Fällen wird die polarimetrische Streuinformation von Zielen dazu genutzt, um unbekannte Objekte genauer zu klassifizieren oder zu identifizieren. Hierfür sind in der Literatur entsprechende Auswerte-Algorithmen bekannt. Im Bereich der Radar-Bildgebung wird häufig mittels SAR-Verfahren („Synthetic Aperture Radar“) der interessierende Bereich oder das zu analysierende Objekt gescannt bzw. abgerastert, abgelaufen oder durchgelaufen und über spezielle Rekonstruktionsalgorithmen ein Bild errechnet, wie dies zum Beispiel in der EP 2 767 849 A2 offenbart ist.

Wird ein SAR-Scan voll polarimetrisch durchgeführt, wobei das Ziel bzw. die beobachtete Objektszene sequenziell mit zumindest zwei unterschiedlich polarisierten, vorzugsweise mit zwei orthogonal polarisierten elektromagnetischen Wellen, beleuchtet und die Polarisation der gestreuten oder reflektierten Wellen aufgezeichnet wird, kann nach der SAR-Prozessierung auf Basis der polarimetrischen Information eine Klassifizierung der vorhandenen Objekte durchgeführt werden. In der Fernerkundung können auf diese Weise, wie in T. Moriama, S. Uratsuka, Y. Yamaguchi: „A Study of Extraction of Urban Areas from Polarimetric Synthetic Aperture Radar image“, IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, Seiten 703–706, 20. bis 24. September 2004 beschrieben, sehr gut besiedelte von bewaldeten Gebieten unterschieden werden. In der Sicherheitstechnik ist mittels des vollpolarisierten SAR-Scans die Unterscheidung verschiedener Gefahrenquellen möglich. Diese Abgrenzungen oder Kategorisierungen lassen sich mit einem konventionellen Radarsystem, welches nicht über die vollpolarimetrische Streuinformation verfügt, deutlich schwieriger darstellen. Grundsätzlich ist in einem vollpolarimetrischen Datensatz die vollständige Streu- bzw. Reflexionsinformation eines Ziels enthalten, die für eine optimierte Klassifikation bzw. Identifikation herangezogen werden kann.

In der zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 117 712 wird ein Verfahren zur bildgebenden Polarimetrie beschrieben, bei dem ein chiploser, passiver Transponder, der mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft aufweist, mittels Radarstrahlung mit zumindest zwei unterschiedlich polarisierten Wellen bestrahlt wird, ein polarisationscodiertes Bild des Transponders anhand der daran reflektierten Radarstrahlung erzeugt wird, und die unterschiedlichen Teilflächen des Transponders in dem polarisationscodierten Bild mittels ihrer mindestens einen polarimetrischen Eigenschaft erkannt werden. Dazu wird ein entsprechender passiver, chiploser Radar-Transponder beschrieben, der mindestens zwei Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft aufweist.

Über die Art und über die Abfolge der Teilflächen ist der Transponder codiert. Das Verfahren zur bildgebenden Polarimetrie kann auch als Verfahren zum Auslesen des chiplosen, passiven Transponders angesehen werden. Der angegebene Transponder wird als Identifikationsmarke oder „Tag“ verwendet. Er weist weder ein Halbleiterbauelement noch einen elektrischen Energiespeicher auf. Der Transponder kann auch als radar-sensitiver Transponder oder Radar-Transponder bezeichnet werden. Die Teilflächen des beschriebenen Transponders mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft erzeugen unterschiedliche Rückstreumuster, die mit Hilfe bekannter polarimetrischer Radarverfahren unterscheidbar und eindeutig zuordenbar sind.

Der in der DE 10 2015 117 712 angegebene Transponder bzw. das entsprechende Verfahren zu seiner Identifikation ist unempfindlich gegenüber Verschmutzung und Witterungseinflüssen. Der Transponder selbst kann auch bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden, wozu beispielsweise temperaturbeständige Materialien wie Keramiken eingesetzt werden. Zur Erzeugung einer gewünschten polarimetrischen Eigenschaft einer Teilfläche wird beispielsweise eine regelmäßig geformte Struktur eingebracht. Auch unregelmäßige Strukturen sind möglich, sofern ihr polarimetrisches Rückstreuverhalten, also die Art und Weise, wie sie die Polarisation bei Reflexion verändern, bekannt ist. Eine regelmäßig geformte Struktur kann zum Beispiel mehrere parallel zueinander angeordnete Längsnuten aufweisen. Die Nuten können mit einer vorgegebenen Winkelausrichtung eingebracht sein. Durch Einstellung der Winkelausrichtung lassen sich unterschiedliche Teilbilder erzeugen. Dies erlaubt auf der Empfängerseite einen eindeutigen Rückschluss auf die Teilflächen und damit die eindeutige Identifikation des Transponders. Damit ist die Informationsübertragung zwischen Transponder und Radarstation bzw. Lesegerät über die polarimetrische Bildgebung gewährleistet. Dies ermöglicht insbesondere bei vollpolarimetrischen Verfahren eine hohe Anzahl an möglichen Informationszuständen pro Transponder. Eine hohe Datenkapazität ist insbesondere durch eine hohe Menge an Teilflächen erreichbar, die auf einer kleinen Fläche untergebracht werden können. Ein Transponder mit mehr als 128 Bit ist realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einsatzszenario für einen passiven, chiplosen Radar-Transponder und für dieses Einsatzszenario eine geeignete Struktur des Transponders anzugeben.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Einsatzszenarios erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ortung eines beweglichen Objektes, wobei ein chiploser, passiver Transponder, der durch mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist, von einer Radarstation mit polarisierten elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird, wobei der Transponder oder die Radarstation auf dem Objekt angeordnet ist, wobei von der Radarstation die am Transponder reflektierten Wellen erfasst werden, wobei aus den reflektierten Wellen ein polarisationscodiertes Bild erzeugt und der Transponder anhand des polarisationscodierten Bildes erkannt wird, und wobei anhand des erkannten Transponders das Objekt identifiziert und auf eine aktuelle Position des identifizierten Objektes geschlossen wird.

Die Erfindung geht in einem ersten Schritt davon aus, die Ortung des beweglichen Objektes durch Auslesen eines Radar-Barcodes vorzunehmen. Das Auslesen eines Radar-Barcodes mittels Radar-Technologie stellt ein robustes und gegen äußere Einflüsse wie Temperatur und Verschmutzung vergleichsweise unempfindliches Verfahren dar. In einem zweiten Schritt sieht die Erfindung vor, den Radar-Barcode durch einen chiplosen, passiven Transponder zu implementieren, der durch mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist. Das Auslesen des Radar-Barcodes geschieht hierbei durch Identifikation der Teilflächen anhand ihrer unterschiedlichen polarimetrischen Eigenschaften, wobei auf die bildgebende Polarimetrie zurückgegriffen wird.

Der Radar-Transponder und damit das Verfahren zur Ortung sind unempfindlich gegenüber äußerer Verschmutzung. Zum Einsatz in Bereichen mit sehr niedriger oder sehr hoher Temperatur sind entsprechende Materialien für den Transponder, wie zum Beispiel Keramiken, Metalle oder Legierungen, zu verwenden.

Bildgebende polarimetrische Radarverfahren sind grundsätzlich bekannt. Zur Identifizierung des Transponders anhand seiner spezifischen Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft eignet sich insbesondere ein bildgebendes, vollpolarimetrisches MIMO (Multiple Input Multiple Output) Radarverfahren, wobei Antennenarrays zum Senden und zum Empfangen der Radarstrahlung bzw. der im entsprechenden Wellenlängenbereich gesendeten und empfangenen Wellen eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wird hierbei eine digitale Strahlformung mit paralleler Datenaufnahme auf der Empfängerseite verwendet. Das Antennen-Array ermöglicht eine vollpolarimetrische Messung. Insbesondere ist hierbei jedes Antennenelement des Antennen-Arrays ausgebildet, elektromagnetische Wellen mit wählbarer Polarisation aus zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen auszusenden.

Beim polarimetrischen, bildgebenden Radarverfahren wird von der Zerlegung einer elektromagnetischen Welle mit beliebiger Polarisationsrichtung in zwei orthogonale Komponenten ausgegangen, die meist mit horizontal (H) und vertikal (V) bezeichnet werden. Die Radarstation, also die Sende- und Empfangsstation bzw. die entsprechende Sende- und Empfangsantenne, muss daher in der Lage sein, horizontal und vertikal polarisierte elektromagnetische Wellen zu senden und zu empfangen. Zu einer vollpolarimetrischen Bildgebung werden Objekte mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft über ihre Anteile an rückgestreuter bzw. reflektierter elektromagnetischer Strahlung in horizontaler und vertikaler Polarisation bezüglich der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung in horizontaler oder vertikaler Polarisation identifiziert. Dabei liegen die vier Kombinationen HH, HV, VH und VV vor, wobei der erste Index die Polarisationsrichtung der empfangenen und der zweite Index die Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung bezeichnet.

Beispielsweise hat eine planare Oberfläche ein konstantes Rückstreu-Verhalten. Eine einfallende Welle wird einfach rückreflektiert, wobei keine Änderung der Polarisationsrichtung auftritt. Folglich finden sich Anteile in der zurückgestreuten Strahlung nur in den Kombinationen HH und VV. Bei Mehrfachreflexionen oder im Falle von Dipol-Elementen können jedoch Kreuzkomponenten resultieren. Weiter sind Phasensprünge möglich. In der polarimetrischen Bildgebung können insofern Dipol-Strukturen oder Doppel-Spiegel-Elemente von planaren Oberflächen unterschieden werden. Zusätzlich tritt hinsichtlich der Rückreflexion eine Abhängigkeit von der Winkelausrichtung der Dipol-Elemente beziehungsweise der Mehrfach-Spiegel hinzu. Entsprechend können derartige Strukturen oder Dipol-Elemente, die zueinander in verschiedenen Winkeln ausgerichtet sind, in der polarimetrischen Bildgebung ebenfalls voneinander unterschieden werden.

Zur polarimetrischen Bildgebung werden bevorzugt SAR-Algorithmen bzw. iSAR-Algorithmen eingesetzt, bei denen eine Relativbewegung zwischen der Radarstation und dem beobachteten Objekt zur Konstruktion einer synthetischen Apertur einer großen Antenne herangezogen wird, wodurch die Ortsauflösung deutlich verbessert wird (SAR = „Synthetic Aperture Radar“, iSAR = „inverse Synthetic Aperture Radar“).

Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft erzeugen unterschiedliche und insofern unterscheidbare Rückstreu- beziehungsweise Reflexionsmuster. Die Teilfläche ist bevorzugt eine Oberfläche des Transponders. Insbesondere können der Oberfläche zur Ausbildung ihrer polarimetrischen Eigenschaft auch darunter liegende Volumenbereiche des Transponders zugeordnet sein. Bei Dipolen kann eine Teilfläche ohne Volumenbereich planar, z.B. durch Leiterbahnstücke, realisiert werden.

Das polarimetrische, bildgebende Radarverfahren umfasst bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem Bereich zwischen 1 GHz und 1 THz. Vorteilhaft wird elektromagnetische Strahlung in einem Bereich zwischen 10 GHz und 100 GHz verwendet. Die Bestrahlung erfolgt im Rahmen der Erfindung raum- oder objektfest. Sie kann weiter bevorzugt in einem Zeit-(TDM = Time Division Multiplex) oder in einem Frequenz-Multiplexverfahren (FDM = Frequency Division Multiplex) erfolgen.

Die jeweiligen Teilflächen des Transponders werden im polarisationskodierten Bild vorteilhaft als Teilbilder erfasst und beispielsweise mittels Methoden der Objekterkennung identifiziert. Aus den erkannten Teilflächen bzw. Teilbildern wird Information abgeleitet, indem beispielsweise die Teilflächen als Informationsträger analog zu Bits mit n (n > 1) möglichen Zuständen verwendet werden. Die Information des Transponders ist also in seinem polarimetrischen Rückstreu- bzw. Reflexionsverhalten codiert. Da das Rückstreuverhalten der verwendeten Teilflächen definiert ist, können diese während der Auswertung entsprechend ihrer Eigenschaften gesucht und klassifiziert werden. Jedes vorhandene, vorher definierte Rückstreuverhalten einer Teilfläche, welches vom dem Rückstreuverhalten anderer Teilflächen unterscheidbar ist, beschreibt einen möglichen Informationszustand. Durch Anordnung mehrerer Teilflächen kann somit Information auf dem Transponder gespeichert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Transponder aus dem polarisationskodierten Bild durch analytisches Berechnen der polarimetrischen Eigenschaft wenigstens einer Teilfläche erkannt. Dies kann zum Beispiel durch Anwenden von analytischen Formeln auf ein Teilbild und ein Vergleichen eines Ergebnisses des Berechnens mit einem vorgegebenen Referenzergebnis erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Transponder anhand eines Bildvergleichs wenigstens eines Teilbilds des polarisationskodierten Bildes mit wenigstens einem Referenzbild erkannt. Dies wird vorteilhaft mittels Methoden der Objekterkennung durchgeführt, wobei das Referenzbild insbesondere einem polarisationskodierten Bild eines Objektes mit entsprechender polarimetrischer Eigenschaft entspricht. Zweckmäßigerweise sind für die am Transponder verwendeten und definierten Teilflächen bekannter polarimetrischer Eigenschaft jeweils entsprechende Referenzbilder hinterlegt.

Vorteilhafterweise wird das polarisationskodierte Bild einer Pauli-Zerlegung unterzogen und der Transponder anhand wenigstens einer polarimetrischen Eigenschaft einer Teilfläche aus wenigstens einem pauli-zerlegten Bild erkannt. Ein pauli-zerlegtes Bild ist insbesondere ein Bild, das aus einem ursprünglichen vollpolarimetrischen Bild mittels einer Pauli-Zerlegung erzeugt worden ist. Bei der Pauli-Zerlegung werden die vollpolarimetrischen Streu- bzw. Reflexionsinformationen an jedem Pixel oder Bild in die Streuprozesse einer einfachen Reflexion, einer Doppelreflexion und einer Volumenstreuung aufgespalten. Ein Pauli-zerlegtes Bild kodiert die Reflexionsprozesse, wie die Einfachreflexion, die Doppelreflexion und die Volumenstreuung in ein z.B. farbiges Bild. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sich unterschiedliche Teilflächen besonders gut und sicher unterscheiden bzw. erkennen lassen. Zumindest eine Teilfläche kann beispielsweise mittels einer Auswertung nur eines pauli-zerlegten polarisationskodierten Bilds oder Teilbilds (z.B. darstellend die einfache Reflexion) erkannt werden. Zumindest eine Teilfläche kann beispielsweise mittels einer Auswertung mehrere pauli-zerlegten polarisationskodierten Bilder oder Teilbilder erkannt werden.

Zur Auswertung der polarimetrischen Daten kann außer der Pauli-Zerlegung oder zusätzlich zu der Pauli-Zerlegung auch ein anderer geeigneter Dekompositionsalgorithmus für die vollpolarimetrischen Bilddaten gewählt werden.

Vorteilhafterweise wird ein Transponder eingesetzt, der wenigstens eine Teilfläche mit einer polarimetrisch wirksamen Struktur umfasst. Zusätzlich kann eine Teilfläche mit einer glatten Oberfläche und/oder aus einem homogenen Material für den Transponder eingesetzt werden, die demnach keine polarimetrisch wirksame Eigenschaft aufweist. Dennoch unterscheidet sich im Sinne der vorliegenden Erfindung eine solche glatte Teilfläche in ihrer polarimetrischer Eigenschaft (nämlich die keiner Polarisationsdrehung) von einer Teilfläche, die eine polarimetrisch wirksame Struktur umfasst. Eine polarimetrisch wirksame Struktur der Teilfläche ist eine Modifikation der Oberfläche, z.B. durch Dipol-Elemente, und vorzugsweise eine dreidimensionale Oberflächenform, wobei jeweils die polarimetrischen Eigenschaften bekannt sind. Dabei genügt es, wenn die Struktur genau einmal auf einer Teilfläche vorkommt, sofern die Struktur ausreichend reflektiert. Beispielsweise kann eine derartige Struktur Erhebungen und/oder Vertiefungen umfassen, die insbesondere parallel verlaufen. Die polarimetrisch wirksame Struktur umfasst insbesondere reflektierende Geometrien, deren polarimetrisches Rückstreuverhalten definiert hergestellt werden kann, wie zum Bespiel Drähte, die als Dipole fungieren, oder gefräste Strukturen wie Doppel- oder Tripelspiegel. Bevorzugt sind alle polarimetrisch wirksamen Strukturen und /oder alle Teilflächen als solche antennenlos, also ohne Drähte und Dipole, ausgebildet.

Als Materialien für den Transponder eignen sich Kunststoffe, Keramiken, Metalle oder Legierungen. Die Auswahl der Materialien erfolgt hierbei abhängig vom jeweils gewünschten Einsatzszenario des Transponders.

In einer weiter zweckmäßigen Ausgestaltung wird ein Transponder eingesetzt, der wenigstens eine Teilfläche mit einem polarimetrisch wirksamen Material umfasst. Hierbei wird insbesondere Bezug darauf genommen, dass Materialien als solche polarimetrisch wirksame Eigenschaften haben. Die Teilflächen können beispielsweise als eine Abfolge von polarimetrisch wirksamen Materialien ausgebildet sein.

Bevorzugt weisen die eingesetzten Transponder eine Dimension im Bereich von einigen Millimetern bis zu einigen zehn Zentimetern auf. Die Teilflächen sind hierzu entsprechende Untereinheiten. Die Teilflächen können sich selbst in ihrer Größe unterscheiden. Sie können aber auch jeweils dieselbe Größe bzw. Fläche aufweisen.

In einer bevorzugten Variante wird dem Objekt ein sich entlang einer Längsachse erstreckender Transponder zugeordnet, dessen Teilfläche jeweils als die Längsachse umlaufende Teilmantelflächen gebildet sind. Auf diese Weise kann der Transponder auf dem bewegten Objekt aus jeder Raumrichtung erfasst und identifiziert werden. Das Rückstreuverhalten des Transponders ist aus jeder Raumrichtung bezüglich seiner Längsachse eindeutig vorgegeben. Vorteilhafterweise ist der Transponder im Wesentlichen als ein sich entlang der Längsachse erstreckender Zylinder gegeben.

Zweckmäßigerweise wird der Transponder entlang der Längsachse aus scheibenförmigen, jeweils die umlaufenden Teilmantelflächen ausbildenden Teilsegmenten zusammengesetzt. Die Teilflächen oder die hierauf erzeugten Strukturen werden durch polarimetrische Messverfahren unterschieden. Da die Kombination der Teilsegmente und damit das ortsabhängige polarimetrische Rückstreu- bzw. Reflexionsverhalten des Transponders beliebig eingestellt werden kann, ist auf diese Weise in einfacher Art und Weise Information auf dem Transponder speicherbar. Bevorzugt werden mehrere Teilsegmente mit verschiedener polarimetrischer Eigenschaft beziehungsweise verschiedenen Strukturen zum Transponder zusammengesetzt. Die einzelnen Teilflächen bzw. Strukturen können hierbei mehr als einmal vorkommen. Dadurch ergibt sich ein polarimetrischer Radar-Barcode, der im Unterschied zu optischen Barcodes, aus allen Blickrichtungen ausgelesen werden kann. Entsprechend den Anwendungsanforderungen kann die Anzahl der Teilsegmente variieren. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden zwischen vier und sechzehn Teilsegmente zusammengesetzt, um Datenkapazitäten je nach Anwendung von mehr als 64 Bit auf dem Transponder zu erreichen. Die Datenkapazität wird durch die Anzahl der Teilsegmente bzw. Teilflächen sowie durch die Anzahl der möglichen polarimetrischen Eigenschaften bestimmt.

Der umlaufend erkennbare Radar-Transponder wird zweckmäßigerweise auf einem beweglichen Objekt platziert. Mögliche Objekte für einen Einsatz sind bevorzugt Fahrzeuge, unter Anderem Kraftfahrzeuge und hiervon beispielsweise Hubstapler oder beliebig weitere Fahrzeuge, wie mobile Roboter, Baufahrzeuge, Flurförderfahrzeuge, Hebezeuge, Regalförderer, Schienen-, Luft- und Wasserfahrzeuge. Bewegliche Objekte können aber auch Transportgüter, insbesondere Container, oder Verpackungsgüter wie Kartons etc. sein.

Die zur Lokalisierung und Decodierung eingesetzten Radarstationen werden an bekannten Orten, z.B. an Wänden von Gebäuden, angebracht oder aufgestellt. Als Radarstationen eignen sich unter anderem konventionelle KFZ-Radarsysteme, wobei jedes Radarsystem in einer bevorzugten Variante eine vollpolarimetrische Datenaufnahme ermöglicht.

Wie vorstehend bereits erwähnt, werden die eingesetzten Sende- und Empfangsantennen bevorzugt in einem Array angeordnet. Die Größe des Arrays bestimmt neben der Wellenlänge des Systems das räumliche Auflösungsvermögen des Radarsystems. Je nach Reichweite und Größe der Teilflächen bzw. der Teilsegmente des Transponders wird die Antennenanzahl und Anordnung so angepasst, dass eine räumliche Trennung der Teilflächen des Transponders mithilfe von Radarbildgebung möglich ist. Für die Positionsbestimmung in horizontaler Richtung bewegt sich der Transponder, der an dem beweglichen Objekt angeordnet ist, zwischen mehreren Einzelmessungen bzw. Decodierungsvorgängen an der Radarstation vorbei. Dies ermöglicht die Erzeugung einer inversen synthetischen Apertur (iSAR), welche eine Positionsbestimmung in Fahrtrichtung des Objektes ermöglich. Damit ist eine Positionsbestimmung und Identifizierung des beweglichen Objekts möglich. Die Identifizierung des beweglichen Objektes erfolgt durch die Auswertung der Radarbildgebung des Lesegeräts. Anhand der Position des Lesegeräts, der Identifizierung des Transponders und der Positionsbestimmung über das iSAR-Verfahren ist eine 3D-Lokalisierung eines eindeutig bestimmten, mobilen Objektes ermöglicht.

In einer anderen ebenfalls vorteilhaften Ausführungsvariante, bei denen zum Beispiel Radarsysteme nicht außerhalb des beweglichen Objektes angebracht werden können, wird das vorbeschriebene Prinzip invertiert. Bevorzugt ist dann dem Objekt die Radarstation zugeordnet, wobei beispielsweise an Wänden eines Gebäudes ein flächiger Transponder eingesetzt wird, dessen Teilflächen entlang einer Längsachse nebeneinander angeordnet sind. Die Radarstation umfasst in diesem Fall vorteilhafterweise eine omnidirektionale Antenne, ein zirkulares Antennen-Array oder eine rotierenden Antenne. Durch die Bewegung der Radarstation gegenüber dem Transponder wird eine synthetische Apertur (SAR) erzeugt, welche wiederum zur Dekodierung der Radar-Barcodes und Ortung der Radarstation verwendet wird. Die polarimetrischen Codes bilden Orientierungspunkte, die eindeutig einer Position im Raum zugeordnet werden können. Grundsätzlich ist es zwar möglich, in gewissen Szenarien (z.B. an einem freistehenden Regal) einen Transponder mit umlaufenden Teilmantelflächen, zum Beispiel einen Zylinder, zu verwenden. Für den Großteil der Anwendungsfälle sind jedoch andere geometrische und insbesondere flächige Formen zu bevorzugen, die zum Beispiel mehrere Kacheln aus ausreichend reflektierendem Material, die die gewünschten polarimetrisch trennbaren Eigenschaften aufweisen, einzusetzen.

Das Verfahren mit mobiler Radarstation ist besonders dann zu bevorzugen, wenn die Ortung des beweglichen Objekts in einer weiträumigen Umgebung erfolgen muss. Denn auch in diesem Fall ist nur eine einzige Radarstation pro überwachtem Objekt notwendig. Die Kosten einer Radarstation sind im Vergleich zu den Kosten für einen Transponder deutlich erhöht. Der Transponder ist gegenüber einer Radarstation zusätzlich wartungsfrei und robust gegen Umwelteinflüsse. Die Transponder können insbesondere leicht in großer Stückzahl für industrielle Umgebungen gefertigt werden.

Bevorzugt wird als Objekt ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Überwachung von Transport- oder Stapelfahrzeugen zum Beispiel in großen Lagerhallen oder dergleichen. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, ein Lager autonom zu betreiben, indem die entsprechenden Stapelfahrzeuge jederzeit selbst über ihre konkrete Position Bescheid wissen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch einen passiven, chiplosen Transponder gelöst, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und durch mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher polarimetrischer Eigenschaft codiert ist, wobei die Teilflächen entlang der Längsachse aufeinander abfolgend angeordnet sind. Mit anderen Worten sind alle Teilflächen bezüglich der Längsachse aufeinander abfolgend angeordnet. Ein derartiger Transponder ist bei seinem Einsatz auf einem beweglichen Objekt aus beliebiger Blickrichtung identifizierbar. Die Bewegung des Objektes kann insbesondere für iSAR-Verfahren eingesetzt werden. Wird andererseits der Transponder an einer Wand eines Gebäudes oder dergleichen fest montiert, so wird die Bewegung einer auf dem bewegten Objekt montieren Radarstation zur Durchführung eines SAR-Verfahrens herangezogen. Bevorzugt sind dementsprechend für einen mobilen Einsatz des Transponders dessen Teilflächen jeweils als die Längsachse umlaufende Teilmantelflächen ausgebildet. Vorteilhafterweise ist hierbei der Transponder entlang der Längsachse aus scheibenförmigen, jeweils die umlaufenden Teilmantelflächen ausbildenden Teilsegmenten zusammengesetzt. Der für einen stationären Einsatz herangezogene Transponder ist zweckmäßigerweise flächig ausgebildet. Der Transponder weist bevorzugt wenigstens eine Teilfläche mit einer polarimetrisch wirksamen Struktur und/oder wenigstens eine Teilfläche mit einem polarimetrisch wirksamen Material auf.

Die für das Verfahren zur Ortung und dessen vorteilhafte Weiterbildungen geschilderten Vorteile lassen sich sinngemäß auf den Transponder und seine Weiterbildungen übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 schematisch ein Fahrzeug mit einem mobilen Radar-Transponder,

2 einen mobilen Radar-Transponder entsprechen 1 im Detail und

3 schematisch einen Hubstapler mit mobiler Radarstation und stationärem Radar-Transponder.

1 zeigt schematisch ein bewegliches Objekt 1, welches beispielsweise als ein Kraftfahrzeug 2 ausgebildet ist. Zur Ortung des beweglichen Objektes 1 ist diesem ein dreidimensionaler Transponder 3 zugeordnet, der einen aus beliebiger Blickrichtung auslesbaren Radar-Barcode trägt. An verschiedenen Stellen des zu überwachenden Raumes sind beispielsweise an einer Wand 4 eines Gebäudes Radarstationen 5 angeordnet. Der Radar-Barcode des Transponders 3 ist mittels einer Mehrzahl von Teilflächen 6, 7, 8, 9 gebildet, die entlang einer Längsachse 10, die senkrecht zu einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 2 ausgerichtet ist, aufeinander abfolgend angeordnet sind. Der genaue Aufbau des dreidimensionalen Transponders 3 ist aus 2 ersichtlich.

Demnach umfasst der Transponder 3 vier Teilflächen 6, 7, 8, 9, die jeweils umlaufende Teilmantelflächen bilden. Der Transponder 3 ist insgesamt im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Die Teilflächen 6, 7, 8 tragen jeweils polarimetrisch unterschiedlich wirksame Strukturen 16, 17, 18. Die polarimetrisch wirksamen Strukturen der Teilflächen 6 und 8 entsprechen einander. Die polarimetrisch wirksame Struktur 17 der Teilfläche 7 weist eine geänderte Winkelausrichtung auf. Die Strukturen 16, 17, 18 sind beispielsweise als Dachkantspiegel zum Erzeugen einer Doppelreflexion für ausgesendete elektromagnetische Wellen ausgebildet. Die Teilfläche 19 kann in einer Ausführungsvariante mit einer glatten Oberfläche ausgebildet sein, die keine Polarisationsänderung in der reflektierten elektromagnetischen Welle bewirkt. In einer anderen Variante weist die Teilfläche 9 ein polarimetrisch wirksames Material 19 auf. Alle Teilflächen und alle polarimetrisch wirksamen Strukturen sind antennenlos ausgebildet.

Die Teilflächen 6, 7, 8, 9 lassen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen polarimetrischen Eigenschaften über ein polarimetrisches, bildgebendes Radarverfahren identifizieren. Insofern kann die Abfolge der Teilflächen 6, 7, 8 bzw. ihrer entsprechenden Strukturen bzw. Oberflächen 16, 17, 18, 19 eindeutig festgestellt und damit der Transponder 3 über seinen ausgebildeten Radar-Barcode eindeutig identifiziert werden.

Auf diese Weise wird es möglich, den genauen Ort eines konkreten Kraftfahrzeugs im überwachten Raum oder Gelände zu bestimmen. Als polarimetrisches Messverfahren eignet sich insbesondere das sogenannte iSAR-Verfahren, wobei die Bewegung des Objekts zur Ausbildung einer inversen synthetischen Apertur herangezogen wird.

In 3 wird ein zu 1 komplementäres Messverfahren beschrieben. Dort ist auf einem bewegten Objekt 1, welches als Hubstapler 30 ausgebildet ist, eine mobile Radarstation 5 angeordnet, die ein omnidirektionales Empfangs- und Sendevermögen aufweist. Der Hubstapler 30 bewegt sich beispielsweise in Fahrtrichtung 33. Parallel zur Fahrtrichtung erstreckt sich ein flächiger, zweidimensionaler Transponder 31. Dieser weist entlang der Fahrtrichtung 33 hintereinander angeordnete Teilflächen 6, 7, 8, 9 auf, die vorliegend beispielsweise als Kacheln ausgebildet sind und an einer Wand eines Gebäudes oder an einem Lagerregal angeordnet sind. Die Längsachse 10, entlang derer die Teilflächen 6, 7, 8, 9 hintereinander angeordnet sind, verläuft im Wesentlichen parallel zur bekannten Fahrtrichtung 33.

Zur Identifikation des Transponders 31 wird bevorzugt ein SAR-Verfahren verwendet, wobei die Bewegung der Radarstation 5 zur Ausbildung einer synthetischen Apertur herangezogen wird. Ansonsten erfolgt die Identifizierung des Transponders 31 entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren bezüglich der Ausführungsvariante entsprechend 1 und 2.

Bezugszeichenliste

1
Objekt
2
Kraftfahrzeug
3
Transponder, 3D
4
Wand
5
Radarstation
6–9
Teilflächen
10
Längsachse
16–18
polarimetrisch wirksame Strukturen
19
polarimetrisch wirksames Material
26–29
Teilsegmente
30
Hubstapler
31
Transponder, 2D
33
Fahrtrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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