DE102018001731A1

DE102018001731A1 - Verfahren zur Ermittlung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems unter Ausnutzung der Reflexion von einem Referenzobjekt

Info

Publication number: DE102018001731A1
Application number: DE102018001731.2A
Authority: DE
Inventors: Ingmar Kallfass; Christopher Grötsch; Benjamin Schoch
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-09-05
Also published as: WO2019170648A1; US12007464B2; US20210041550A1; EP3762740A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit mindestens zwei Reflexionsobjekten umfassend die Schritte:
Erzeugen eines Sendesignals umfassend zumindest eine modulierte elektro-magnetische oder akustische Welle;
Empfangen eines ersten Empfangssignals, wobei das erste Empfangssignal auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Empfangen eines zweiten Empfangssignals, wobei das zweite Empfangssignal auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Empfangen eines dritten oder weiterer Empfangssignale, wobei das dritte und weitere Empfangssignale auf dem von einem ersten oder zweiten oder weiteren Reflexionsobjekte reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und weiterer Empfangssignale.
Ermitteln von unbekannten Abständen zwischen Reflexionsobjekten oder von Materialeigenschaften, Zusammensetzung oder Beschaffenheit der Medien zwischen den Reflexionsobjekten des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und weiterer Empfangssignale.

Description

Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung, sowie ein System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems, insbesondere von Abständen und Materialeigenschaften zwischen Reflexionsobjekten, unter Ausnutzung der Reflexion von einem Referenzobjekt.
Zum Detektieren und Analysieren von Objekten werden üblicherweise verschiedene Radarverfahren verwendet. Radar ist die Abkürzung für „radio detection and ranging“ (übersetzt: funkgestützte Ortung und Abstandsmessung) und beschreibt verschiedene Erkennungs- und Ortungsverfahren auf der Basis von elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich.
Konventionelle Radarverfahren können in mehrere Untergruppen eingeteilt werden:

Ein häufig verwendetes Radarverfahren ist das Dauerstrichradarverfahren, welches ein kontinuierliches Senden einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle in eine Richtung umfasst. Trifft diese elektromagnetische Welle auf ein Reflexionsobjekt, so wird ein Teil der Energie als Echosignal zurückgeworfen und von einem Empfänger erfasst. Das Sendesignal weist dabei eine konstante Frequenz mit konstanter Amplitude auf. Das empfangene Echosignal weist entweder die gleiche oder, falls sich das Reflexionsobjekt bewegt, eine aufgrund des Dopplereffekts abweichende Frequenz auf. Die Frequenz des Empfangssignals wird in einer empfangsseitigen Mischerstufe mit dem ausgesendeten Signal verglichen und die relative Geschwindigkeit des Reflexionsobjekts zum Empfänger bestimmt. Eine Messung der Entfernung des Reflexionsobjekts ist nicht möglich.

Eine spezielle Unterform des Dauerstrichradars ist das frequenzmodulierte Dauerstrichradar. Dabei ändert sich die Arbeitsfrequenz des Sendesignals während der Messung periodisch, sodass zusätzlich zur Geschwindigkeitsmessung eine Entfernungsmessung aufgrund der Detektionsmöglichkeit des Laufzeitunterschieds zwischen Sende- und Empfangssignal durchgeführt werden kann. Dabei können Auflösung und Messbereich durch die Wahl des Frequenzhubs und der Änderungsrate des Sendesignals definiert werden.
Ein alternatives Radarverfahren ist das monostatische Radarverfahren, bei dem Sender und Empfänger dieselbe Antenne verwenden. Eine beispielhafte Umsetzung ist das Impulsradar, welches zeitlich kurze und leistungsstarke Impulse aussendet und deren reflektierte Echosignale empfängt. Das Impulsradar eignet sich insbesondere zur Entfernungsmessung reflektierender Objekte. Allerdings ist durch die Verwendung einer Antenne zum Senden und Empfangen eine zeitliche Steuerung der Abläufe, sowie eine große Pause zwischen den einzelnen Sendeimpulsen notwendig.
Bei all diesen Radarverfahren werden die empfangenen Echosignale mit dem ausgesendeten Signal in einer empfangsseitigen Mischerstufe verglichen. Dies führt zu einer nicht unerheblichen Komplexität und zu einem eingeschränkten Dynamikbereich des Empfängers.
Im Gegensatz dazu stellt das passive Radar eine Ortungstechnik dar, die selbst keine elektromagnetische Energie aussendet, um deren zurückgeworfenes Echo zu analysieren. Stattdessen werden Echosignale von systemfremden Funkwellen, beispielsweise von Rund- oder Mobilfunksendetürmen, detektiert und ausgewertet. Dadurch kann bei bekannter Position der Quelle ein sich bewegendes reflexionsfähiges Objekt im Strahlungsfeld des Senders identifiziert und beispielsweise dessen Entfernung und Geschwindigkeit ermittelt werden. Allerdings benötigt dieses Verfahren wegen der komplizierten und aufwendigen Berechnungen bei der Signalauswertung eine sehr hohe Rechenleistung.
Das passive Radar ist eine Unterform des bi-statischen Radarverfahrens, welches aus einem Sender und einem Empfänger besteht, wobei Sender und Empfänger räumlich getrennt sind und deren Abstand ähnlich groß oder größer ist als der Abstand zu dem zu detektierenden Objekt.
Eine weitere Unterform des bi-statischen Radarverfahrens ist das „forward scatter radar“ (übersetzt: Vorwärtsstreu-Radar), bei dem ein Objekt, welches sich in der direkten Linie zwischen Sender und Empfänger befindet, einen Schatten am Empfänger erzeugt.
Die beschriebenen und zum Ermitteln von Abständen zwischen Reflexionsobjekten geeigneten Radarverfahren weisen allesamt eine hohe Systemkomplexität und einen eingeschränkten Dynamikbereich insbesondere auf Empfängerseite auf. Diese sind jedoch nötig, um genaue und eindeutige Messungen der Abstände zwischen dem Sender bzw. Empfänger und dem Reflexionsobjekt zu erhalten. Jedoch ist in vielen Fällen der genaue Abstand zwischen Sender/Empfänger nicht die gesuchte Größe, sondern vielmehr der relative Abstand zwischen einzelnen Reflexionsobjekten. Die Messung relativer Abstände einer Mehrzahl von Reflexionsobjekten ist mit deutlich geringerem technischem Aufwand und höherer Dynamik, als für die aufgeführten Radarverfahren benötigt wird, möglich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung, sowie ein System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems, insbesondere von Abständen zwischen Reflexionsobjekten, bei verringerter Empfängerkomplexität und erhöhtem Dynamikbereich bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche
Ein erster Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten, umfassend die Schritte:

Erzeugen eines Sendesignals umfassend zumindest eine modulierte Welle;
Empfangen eines ersten Empfangssignals, wobei das erste Empfangssignal auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Empfangen eines zweiten Empfangssignals, wobei das zweite Empfangssignal auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameter des Systems, insbesondere des Abstands zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal.

Unter einem Sendesignal kann im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine elektromagnetische Strahlung verstanden werden, wie z.B. Radarstrahlen, insbesondere im Mikrowellenbereich (3 GHz - 30 GHz), Millimeterwellenfrequenzbereich (30 GHz - 300 GHz), Submillimeterwellenfrequenzbereich (300 GHz - 3 THz), Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolet- oder Röntgenstrahlung, insbesondere eine durch einen Signalgenerator erzeugte elektro-magnetische Welle mit einem charakteristischen Zeitverlauf, die mithilfe einer Sendeantenne abgestrahlt wird bzw. werden kann. Ein besonders bevorzugter Frequenzbereich liegt dabei zwischen etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz.
Unter einem Sendesignal kann im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine akustische Welle verstanden werden, wie z.B. eine Longitudinalwelle und/oder eine Transversalwelle. Eine akustische Welle kann hierbei beispielsweise durch einen Schallwandler auf Basis eines piezoelektrischen Kristalls erzeugt werden. Die akustische Welle kann durch ein Mikrofon empfangen werden, welches Oberwellen bzw. Verzerrungen hervorruft. Ein bevorzugter Frequenzbereich liegt im Ultraschallbereich oberhalb von 20 kHz, welcher insbesondere den Frequenzbereich der akustischen Mikroskopie umfasst.
Insbesondere kann das Sendesignal mindestens eine modulierte elektromagnetische Welle und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle umfassen. Die Verwendung von mindestens einer modulierten elektromagnetischen Welle und mindestens einer modulierten akustischen Welle kann insbesondere den Anwendungsbereich des Verfahrens vergrößern.
Im Weiteren werden Merkmale insbesondere in Bezug auf elektromagnetische Strahlung beschrieben. Hierbei ist jedoch zu verstehen, dass sämtliche Merkmale in Bezug auf elektromagnetische Strahlung bzw. Wellen und/oder in Bezug auf akustische Wellen verwirklicht werden können.
Eine modulierte Welle kann hierbei insbesondere durch eine Frequenzmodulation, beispielsweise gemäß einer linearen, dreiecksförmigen Frequenzrampe oder gemäß einer ansteigenden und abfallenden Frequenzrampe erzeugt werden. Eine weitere mögliche Form der Frequenzmodulation ist beispielsweise eine nichtlineare Frequenzrampe. Neben der Frequenzmodulation sind andere Modulationsarten wie Amplitudenmodulation, Phasenmodulation und/oder Pulsweitenmodulation denkbar.
Unter einem Empfangssignal wird im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine elektromagnetische Strahlung und/oder akustische Wellen verstanden, welche mittels einer Empfangsantenne empfangen wird. Das Empfangssignal umfasst dabei die von einem oder mehreren Reflexionsobjekten reflektierten Sendesignale.
Elektromagnetische Strahlung und/oder akustische Wellen werden an Grenzflächen zwischen Ausbreitungsmedien mit unterschiedlichem Wellenwiderstand bzw. Brechungsindex beim Auftreffen auf diese zumindest teilweise reflektiert, wobei in der Regel nur ein Teil der Energie der einfallenden Strahlung zurückgeworfen wird (partielle Reflexion).
Bei bekanntem Ausbreitungsmedium, beispielsweise Luft und/oder ein bekanntes Stoffgemisch, zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt kann insbesondere ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal ermittelt werden. Hierbei ist der Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ein physikalischer Parameter des Systems. Hierbei können ferner physikalische Parameter des Ausbreitungsmediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt bekannt sein, gemessen sein, und/oder geschätzt sein. Vorzugsweise können die Parameter des Ausbreitungsmediums ungefähr bzw. anhand von Parameter-Intervallen/Bereichen bekannt sein. Insbesondere kann das Ausbreitungsmedium das erste Reflexionsobjekt sein, wobei hierbei das erste Reflexionsobjekt und das zweite Reflexionsobjekt insbesondere zumindest entlang einer Ausbreitungsrichtung des Sendesignals aneinander angrenzen.
Bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt des Systems kann insbesondere das Vorhandensein eines Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt und/oder ein physikalischer Parameter des Mediums als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems ermittelt werden. Der physikalische Parameter des Mediums kann hierbei bevorzugt zumindest eine dielektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Mediums umfassen, beispielsweise die Ausbreitungskonstante bzw. die Permittivität des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt. Der bekannte Abstand kann hierbei vorgegeben, gemessen und/oder geschätzt sein. Vorzugsweise kann der bekannte Abstand ungefähr bzw. anhand von Abstands-Intervallen/Bereichen bekannt sein. Insbesondere kann der bekannte Abstand ein Durchmesser des ersten Reflexionsobjekts sein, wobei hierbei das erste Reflexionsobjekt und das zweite Reflexionsobjekt insbesondere zumindest entlang einer Ausbreitungsrichtung des Sendesignals aneinander angrenzen und der bekannte Abstand entlang der Ausbreitungsrichtung des Sendesignals gemessen ist.
Vorzugsweise kann auch das Vorhandensein des Mediums, beispielsweise Gewebestrukturen und/oder bekannte Materiallagen, und/oder eine materielle Zusammensetzung des Mediums angenommen werden bzw. bekannt sein, wobei weitere Eigenschaften des Mediums ermittelt werden können, beispielsweise ein Flüssigkeitsgehalt eines Gewebes oder die Ausrichtung von Materialfasern oder die Dichte bzw. indirekt der Druck oder der Füllstand in einem mehr oder weniger befüllten Medium. Konkrete Anwendungsbeispiele sind z.B. das Ermitteln des Füllstandes in einem Behälter/Container, das Ermitteln des Kolbenstands in einem Zylinder und/oder das Ermitteln der Eindringtiefe eines Kolbens oder eines Bohrers.
Bevorzugt ist das primäre Ausbreitungsmedium des Sendesignals im Sinne dieser Erfindung Luft. Beim Auftreffen der Strahlung auf ein Objekt tritt eine starke Reflexion an der Oberfläche des Objekts auf, sodass ein Großteil der Energie der Strahlung reflektiert wird.
Die an der Oberfläche des Objekts, im weiteren erstes Reflexionsobjekt genannt, reflektierte Strahlung bzw. Wellen werden mittels einer Empfangsantenne empfangen und entspricht dem ersten Empfangssignal.
Der restliche Anteil der Strahlung bzw. Wellen des Sendesignals dringt in das Objekt ein bzw. durchdringt es und breitet sich in bzw. hinter diesem weiter aus (Transmission). Bei einem Auftreffen der sich in dem Objekt ausbreitenden Strahlung bzw. Wellen auf ein zweites Objekt mit einem unterschiedlichen Wellenwiderstand bzw. Brechungsindex wird ein Großteil der Strahlung an der Oberfläche des zweiten Objekts, im weiteren zweites Reflexionsobjekt genannt, reflektiert.
Die an dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Strahlung bzw. Wellen werden mittels einer Empfangsantenne empfangen und entspricht dem zweiten Empfangssignal, wobei bevorzugt dieselbe Empfangsantenne zum Empfangen des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals verwendet wird.
Sowohl das erste Empfangssignal als auch das zweite Empfangssignal basieren auf demselben Sendesignal und weisen demnach denselben charakteristischen Zeitverlauf auf. Allerdings ist das zweite Empfangssignal aufgrund der von dem Sendesignal zurückgelegten unterschiedlichen Distanz im Vergleich zum ersten Empfangssignal zeitlich verzögert.
In einer beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform befinden sich Sende- und Empfangsantenne näherungsweise auf derselben Position und sind näherungsweise identisch ausgerichtet, sodass die Ausbreitungsrichtung sowohl des Sendesignals als auch der von dem ersten Reflexionsobjekt und/oder von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Strahlung entlang einer zur Oberfläche der Reflexionsobjekte im Wesentlichen senkrecht stehenden Linie verläuft.
Aufgrund dieser Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen entspricht die zeitliche Verzögerung der Zeit, die das Sendesignal für das Zurücklegen der doppelten Distanz zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt benötigt.
Dabei dient das dem ersten Empfangssignal zugehörige Reflexionsobjekt als Referenzobjekt, zu welchem das zweite Reflexionsobjekt in räumlichen Bezug gesetzt wird.
Folglich ermöglicht das beschriebene Verfahren ein Bestimmen der räumlichen Entfernung zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und dem zweiten Reflexionsobjekt, ohne dass Informationen über die Charakteristika des Sendesignals bekannt sind bzw. ohne dass eigenständige Charakteristika des Sendesignals ausgewertet werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Entfernung zwischen Sende- bzw. Empfangseinheit und dem zu untersuchenden Objekt unbedeutend oder unbekannt ist.
Das beschriebene Verfahren eignet sich beispielsweise für die berührungslose Materialanalyse, wie der Bestimmung von Schichtdicken in Multi-Lagen-Verbundwerkstoffen, sowie zur Detektion von Verunreinigungen und Fremdkörpern.
Weitere Anwendungen finden sich in der Medizintechnik (z.B. bildgebende Lokalisierung von Organen, Analyse organischer Substanzen), in der Sicherheitstechnik (z.B. Personenscanner), in der Automobiltechnik (z.B. Abstandsradar), und in der Automatisierungs- und Produktionstechnik (z.B. Materialanalyse, Erkennung von Produktions- oder Verpackungsfehlern).
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Sendesignal eine modulierte elektromagnetische Strahlung und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle, insbesondere frequenzmodulierte elektromagnetische Strahlung und/oder frequenzmodulierte akustische Wellen. Alternativ oder zusätzlich kann die elektromagnetische Strahlung und/oder die mindestens eine akustische Welle phasenmoduliert und/oder amplitudenmoduliert sein.
Der Signalgenerator zum Erzeugen des Sendesignals ist bevorzugt ein Funktionsgenerator, welcher periodische elektrische und/oder mechanische Signale mit unterschiedlichen Kurvenformen, insbesondere Sinus, Rechteck, Treppen, Dreieck und Sägezahn, mit einstellbarer Frequenz, Phase und Amplitude erzeugen kann.
Ein frequenzmoduliertes Signal umfasst eine sich zeitlich ändernde Frequenz, die beispielsweise linear ansteigt, um bei einem bestimmten Wert abrupt auf den Anfangswert abzufallen (Sägezahnmuster, englisch: „sawtooth“).
Durch die lineare Änderung der Frequenz und das stetige Senden ist es möglich, die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal zu ermitteln. Die maximale, eindeutig ermittelbare Laufzeitdifferenz ist im Fall eines Sägezahnmusters die Dauer, in der die Frequenz des Signals vom Anfangswert zum Endwert linear ansteigt bzw. abfällt. Dies entspricht der Periodendauer des Sendesignals, auch „sweep time“ genannt.
Die Auswertung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals, insbesondere das Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal, wird mithilfe einer Mischerstufe durchgeführt.
Analog gelten die obigen Ausführungen für ein phasenmoduliertes Signal oder ein amplitudenmoduliertes Signal.
Das beschriebene Verfahren hat im Gegensatz zu konventionellen Radarverfahren insbesondere den Vorteil einer reduzierten Empfängerkomplexität und eines erhöhten Dynamikbereichs. Ferner ist das beschriebene Verfahren weder abhängig von einer Entfernung zwischen dem Ursprung des Sendesignals und dem ersten Reflexionsobjekt, noch abhängig von einer Entfernung zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem Sensor, welcher das erste Empfangssignal und das zweite Empfangssignal empfängt.
Die empfängerseitige Mischerstufe weist vorzugsweise keinen gesonderten Eingang für das Sendesignal auf (sog. Lokaloszillator). Stattdessen fungiert das erste Empfangssignal, welches das von dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) reflektierte Sendesignal ist, als Lokaloszillator der Mischerstufe und dient so als Referenzsignal. Folglich wird die Mischerstufe mit einem kombinierten Signal aus Referenz- und Reflexionssignal(en) auf einem Eingang betrieben. Somit kann vorteilhafterweise das Empfangssignal unabhängig vom Sendesignal ausgewertet werden. In anderen Worten werden an der empfangsseitigen Mischerstufe zwei Empfangssignale empfangen und ausgewertet, wobei jedes Empfangssignal ein reflektiertes Signal ist. Entgegen herkömmlicher Radarsysteme wird das unveränderte Sendesignal des Senders nicht empfangen und ausgewertet. Somit ist es nicht nötig, die signaltypischen Eigenschaften des Sendesignals zu kennen.
Des Weiteren besitzt das beschriebene Verfahren eine verbesserte Empfindlichkeit, da alle auf der Empfängerseite zu verarbeitenden Signale einen in der Regel deutlich verringerten Leistungspegel als das Sendesignal aufweisen. Somit kann der Empfänger auf Signale mit geringer Leistung ausgelegt und optimiert werden.
Vorzugsweise ist das zweite Reflexionsobjekt zumindest teilweise von dem ersten Reflexionsobjekt umgeben. Vorzugsweise propagiert das Sendesignal zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt und tritt aus diesem aus, bevor es von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektiert wird.
Die zu detektierenden Reflexionsobjekte können derart positioniert sein, dass sich das zweite Reflexionsobjekt vollständig oder teilweise innerhalb eines Objekts befindet. Dabei kann insbesondere die Oberfläche des das zweite Reflexionsobjekt zumindest teilweise umgebenden Objekts das erste Reflexionsobjekt darstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens propagiert das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt.
Die zu detektierenden Reflexionsobjekte können derart positioniert sein, dass das Sendesignal und/oder das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal zumindest teilweise durch das Objekt propagieren, welches das erste Reflexionsobjekt umfasst bzw. darstellt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die Reflexionsobjekte entlang einer Linie in der primären Ausbreitungsrichtung des Sendesignals befinden.
Die zu detektierenden Reflexionsobjekte können derart positioniert sein, dass das Sendesignal durch das Objekt propagiert, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, und aus diesem austritt bevor es von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektiert wird.
In dieser bevorzugten Ausführungsform propagiert das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal durch das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, bevor es von der Empfangsantenne empfangen wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich das Objekt, das das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, und das Objekt, das das zweite Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, entlang einer Linie in der primären Ausbreitungsrichtung des Sendesignals befinden und voneinander beabstandet sind.
Ein Beispiel für diese bevorzugte Ausführungsform stellt eine Abstandsmessung für Kraftfahrzeuge dar, bei welcher das Sendesignal durch die Stoßstange des Fahrzeugs propagiert, und wobei die der Sendevorrichtung zugewandte Oberfläche der Stoßstange als erstes Reflexionsobjekt fungiert. Das Sendesignal tritt aus der Stoßstange aus und trifft auf das zweite Reflexionsobjekt, welches beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug ist bzw. von diesem umfasst wird. Das von dem zweiten Reflexionsobjekt reflektierte Sendesignal propagiert durch die Stoßstange, deren Oberfläche als erstes Reflexionsobjekt fungiert, tritt aus dieser aus und wird von der Empfangsvorrichtung empfangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest eine physikalische Parameter des Systems, insbesondere ein örtlicher Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt basierend auf einer Divergenz der Modulation des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals ermittelt. In anderen Worten werden die Eigenschaften der Modulation herangezogen, um die Distanz im dreidimensionalen Raum des ersten Reflexionsobjekts von dem zweiten Reflexionsobjekt zu bestimmen. Hierbei kann beispielsweise angenommen werden, dass das erste Reflexionsobjekt und/oder das zweite Reflexionsobjekt punktförmig sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest eine physikalische Parameter des Systems, insbesondere der Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt basierend auf einer Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal ermittelt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Abstand aufgrund einer Phasendifferenz und/oder einer Amplitudendifferenz zu bestimmen.
Vorzugsweise werden Materialeigenschaften oder die Zusammensetzung des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt, indem bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt (z.B. ein bekannter Rohrdurchmesser oder ein Abstand zweier Platten) die Ausbreitungsgeschwindigkeit oder die Dämpfung der elektromagnetischen und/oder akustischen Welle in dem Medium zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt wird.
Insbesondere bei Verwendung eines frequenzmodulierten Sendesignals kann der Laufzeitunterschied und im weiteren die zusätzliche Distanz anhand der zeitlichen Verschiebung, insbesondere Verzögerung des Frequenzmusters des zweiten Empfangssignals verglichen mit dem ersten Empfangssignal, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Distanz anhand der zeitlichen Verschiebung, insbesondere der Verzögerung des Phasenmusters und/oder Amplitudenmusters des zweiten Empfangssignals verglichen mit dem ersten Empfangssignal, ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Leistungspegel des zweiten Empfangssignals geringer oder größer als der Leistungspegel des ersten Empfangssignals.
Insbesondere wird das erste Empfangssignal als das Empfangssignal bestimmt, das aus allen Empfangssignalen den maximalen Leistungspegel aufweist. Alternativ oder zusätzlich wird als erstes Empfangssignal das Empfangssignal bestimmt, dessen Leistungspegel in einem vorbestimmten Leistungsbereich liegt. Hierbei kann der Leistungsbereich basierend auf der Anwendung des Verfahrens gewählt werden, wobei kurze Messdistanzen geringere Leistungen benötigen wie z.B. ein Automobilradar. Ferner kann die untere Grenze eines solchen Leistungsbereichs durch eine Auswahl entsprechend empfindlicher Empfangsmischer und abhängig von dem verwendeten Frequenzbereich gewählt werden. Es ist auch möglich, dass das erste Empfangssignal und das zweite Empfangssignal derart bestimmt werden, dass die Leistungspegel der beiden Empfangssignale ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander aufweisen.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Reflexionseigenschaft, d.h. die Beeinflussung von Phase und Betrag bzw. Amplitude und Verzögerung von eintreffenden elektromagnetischen Wellen, von einem oder mehreren Medien, welche die Reflexionsobjekte darstellen bzw. umfassen, bekannt ist. Dadurch ist es möglich, absolute Messungen des zu untersuchenden Mediums durchzuführen. Beispielsweise kann bei einer Schichtdickenmessung bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektro-magnetischen Welle in dem Medium aus der zeitlichen Verzögerung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals die absolute Dicke des Mediums bestimmt werden.
Hingegen können relative Änderungen, beispielsweise eine Änderung der Position oder Eigenschaft eines Reflexionsobjektes in Bezug auf eine initiale Referenz- oder Kalibrationsmessung auch ohne weitere Informationen bestimmt werden. Analog gilt dasselbe für Messungen der Materialeigenschaften bzw. Zusammensetzung des Mediums zwischen Reflexionsobjekten.
Da das erste Reflexionsobjekt, insbesondere dessen Oberfläche, als räumliche Referenz für die Lagebestimmung der weiteren Reflexionsobjekte dient, ist die zuverlässige Detektion dieses ersten Reflexionsobjekts immanent für eine genaue Lokalisierung der weiteren Reflexionsobjekte. Wie oben ausgeführt, wird an der Oberfläche des ersten Reflexionsobjekts in der Regel ein Großteil der Energie des Sendesignals reflektiert, sodass der Leistungspegel des zugehörigen ersten Empfangssignals größer ist als die Leistungspegel der weiteren Empfangssignale, welche durch Reflexion an den weiteren Reflexionsobjekten hervorgerufen werden.
Allerdings kann das dem ersten Reflexionsobjekt zugehörige erste Empfangssignal in bestimmten Fällen einen nur geringen Leistungspegel aufweisen, beispielsweise aufgrund eines ungünstigen Reflexionsverhalten der Strahlung des Sendesignals an dem ersten Reflexionsobjekts, sodass nur ein geringer Teil der Strahlungsenergie des Sendesignals von dem ersten Reflexionsobjekt zurückgeworfen wird. Folglich dringt ein Großteil der Strahlung in das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, ein bzw. durchdringt dieses und tritt in das dahintergelegene Medium ein. Trifft diese Strahlung dort nun auf ein zweites Reflexionsobjekt, welches eine starke Reflexion der Strahlung verursacht, weist das zugehörige zweite Empfangssignal womöglich einen höheren Leistungspegel als das erste Empfangssignal auf. Dies kann dazu führen, dass das zweite Reflexionsobjekt anstatt des ersten Reflexionsobjekts als Referenzobjekt erkannt wird.
Daher kann es nützlich oder sogar notwendig sein die Reflexion des Sendesignals am ersten Reflexionsobjekt zu erhöhen. Zum Beispiel kann, durch zusätzliches Aufbringen von dünnen Schichten eines geeigneten Materials mit definiertem Reflexionskoeffizienten auf das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt umfasst bzw. darstellt, eine starke Reflexion des Sendesignals am ersten Reflexionsobjekt und somit ein hoher Leistungspegel des dazugehörigen ersten Empfangssignals erzeugt werden, sodass eine sichere Identifizierung des ersten Reflexionsobjekts als Referenzobjekt erfolgt. Das Aufbringen des Materials kann beispielsweise durch Folieren und/oder Lackieren und/oder Bedampfen, z.B. Vapor Deposition usw. bewerkstelligt werden.
Des Weiteren können die Eigenschaften der zusätzlich aufgebrachten Schichten spezifisch an das verwendete Sendesignal und/oder an die Oberfläche bzw. die Materialbeschaffenheit der Objekte, welche die Reflexionsobjekte darstellen bzw. umfassen, angepasst werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Allerdings sollte ein ausreichender Teil der Strahlungsenergie in das Objekt, welches das erste Reflexionsobjekt darstellt bzw. umfasst, bzw. durch dieses hindurch gelangen, um zu ermöglichen, dass ein von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektiertes, zweites Empfangssignal zuverlässig erfasst werden kann.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn bekannt ist, dass ein Reflexionsobjekt ein prägnantes Reflexionsverhalten aufweist, sodass das zugehörige Empfangssignal aus einer Vielzahl von Empfangssignalen identifiziert werden und das entsprechende Reflexionsobjekt als Referenzobjekt verwendet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter die Schritte:

Empfangen eines dritten Empfangssignals, wobei das dritte Empfangssignal auf dem von einem dritten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem dritten Empfangssignal; und/oder
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem zweiten Empfangssignal und dem dritten Empfangssignal.

Insbesondere kann der zumindest eine physikalische Parameter des Systems wie oben beschrieben bei bekanntem Ausbreitungsmedium zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt sein.
Bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt kann insbesondere das Vorhandensein eines Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt und/oder ein physikalischer Parameter des Mediums als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems ermittelt werden. Der physikalische Parameter des Mediums kann hierbei bevorzugt zumindest eine dielektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Mediums umfassen, beispielsweise die Ausbreitungskonstante bzw. die Permittivität des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem zweiten Reflexionsobjekt und dem dritten Reflexionsobjekt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter die Schritte:

Empfangen eines n-ten Empfangssignals, wobei das n-te Empfangssignal auf dem von einem n-ten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem n-ten Empfangssignal; und/oder
Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters basierend auf dem m-ten Empfangssignal und dem n-ten Empfangssignal.

Insbesondere kann der zumindest eine physikalische Parameter des Systems wie oben beschrieben bei bekanntem Ausbreitungsmedium zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt sein.
Bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt kann insbesondere das Vorhandensein eines Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt und/oder ein physikalischer Parameter des Mediums als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems ermittelt werden. Der physikalische Parameter des Mediums kann hierbei bevorzugt zumindest eine dielektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Mediums umfassen, beispielsweise die Ausbreitungskonstante bzw. die Permittivität des Mediums zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem n-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt bzw. zwischen dem n-ten Reflexionsobjekt und dem m-ten Reflexionsobjekt.
Hierbei sind n und m natürliche Zahlen und m ist kleiner als n. Vorzugsweise ist n > 1 und m > 1, weiter bevorzugt ist n > 10 und m > 10. Vorzugsweise ist n < 100 und m < 100, weiter bevorzugt ist n < 50 und m < 50. Insbesondere besteht aufgrund der Streuung des Sendesignals an jedem Reflexionsobjekt ein Leistungsabfall des Sendesignals, wodurch eine obere Grenze einer Gesamtzahl von konsekutiven Reflexionen anhand der ursprünglichen Leistung des Sendesignals gegeben ist.
Das beschriebene Verfahren kann zur Detektion und Abstandsbestimmung einer Vielzahl an Reflexionsobjekten verwendet werden. Dabei kann jeweils der Abstand von einem beliebigen Reflexionsobjekt zu einem beliebigen anderen Reflexionsobjekt ermittelt werden, oder, bei Kenntnis der Abstände zwischen zwei oder mehreren Reflexionsobjekten, die Materialbeschaffenheit oder - Zusammensetzung der zwischen den Reflexionsobjekten befindlichen Medien.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter den Schritt:

Visualisierung der räumlichen Anordnung des ersten Reflexionsobjekts und des zweiten Reflexionsobjekts basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal.

Zur Auswertung der ermittelten Werte kann bevorzugt eine optische Darstellung basierend auf den Empfangssignalen erfolgen. Dabei kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage, je nach Anwendungsgebiet und Zielsetzung.
Beispielsweise kann zur Bestimmung der Schichtdicke eines Multi-Lagen-Verbundwerkstoffs das Anzeigen des räumlichen Abstands zwischen den einzelnen Reflexionsobjekten, welche den Grenzflächen der einzelnen Lagen entsprechen, mithilfe eines Graphen ausreichen, um eine für eine zuverlässige Qualitätskontrolle geeignete Darstellung zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Visualisierung eine 2D- und/oder 3D-Rekonstruktion basierend auf einer Vielzahl von Einzelmessungen.
Für manche Anwendungen wird eine 2D-Rekonstruktion oder eine 3D-Rekonstruktion der Messdaten benötigt, beispielsweise zur Detektion von Hohlräumen in Gussteilen. Dazu werden eine Vielzahl von Einzelmessungen bzw. von Ermittlungen des zumindest einen physikalischen Parameters entlang einer Linie (2D) bzw. über eine Fläche (3D) durchgeführt.
Um beispielsweise ein Schnittbild senkrecht zur Oberfläche eines Objekts zu erhalten, werden eine Vielzahl von Einzelmessungen entlang einer Linie auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts durchgeführt. Für die anschließende Rekonstruktion der einzelnen Messdaten können diese gegebenenfalls gefiltert und/oder tiefenabhängig verstärkt und als Volumenschnitt bildlich dargestellt werden. Der Abstand zwischen den Positionen der Einzelmessungen bestimmt dabei die Auflösung der Rekonstruktion.
Ein zweiter Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln mindestens eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend:

eine Empfangsvorrichtung mit einer Empfangsantenne, dazu ausgebildet:
- ein erstes Empfangssignal zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal auf einem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert;
- ein zweites Empfangssignal zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal auf einem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert; und
- den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems, insbesondere den Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal zu ermitteln.

Insbesondere kann jedes reflektierte Signal mindestens eine modulierte elektromagnetische Welle und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle umfassen.
Eine zur Durchführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung geeignete Vorrichtung umfasst zumindest eine Empfangsvorrichtung, welche eine Empfängerantenne zum Empfangen der Empfangssignale aufweist. Die Vorrichtung ist dazu geeignet, basierend auf den Empfangssignalen von einem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und zumindest einem zweiten Reflexionsobjekt deren räumlichen Abstand voneinander zu ermitteln. Dabei wird das zumindest eine, zeitlich verzögerte Empfangssignal mit dem ersten Empfangssignal, welches als Referenzsignal dient, verglichen.
Dabei entspricht die zeitliche Verzögerung der jeweiligen Empfangssignale der Dauer, die ein Sendesignal für das Zurücklegen der doppelten Distanz zwischen dem Referenzobjekt und dem jeweiligen Reflexionsobjekt benötigt.
Vorzugsweise kann bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, physikalische Parameter eines Mediums, beispielsweise dessen Materialeigenschaften, zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt werden. Vorzugsweise wird der Empfangsbereich der Empfangsvorrichtung, d.h. der Raumwinkel aus dem die Signale empfangen werden, dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst. Beispielsweise können mit Hilfe einer höher gerichteten d.h. mit kleinem Empfangswinkel ausgeführte Empfangsvorrichtung Signale aus einer bevorzugten Richtung selektiert, bzw. Signale aus nicht bevorzugten Richtungen unterdrückt werden.
Ebenfalls können eine oder mehrere Empfangsvorrichtung ausgelegt sein, Reflexionssignale, deren Ausbreitungsrichtungen nicht im wesentlichen parallel zu der des Sendesignals sind, gezielt zu detektieren. Auf diese Weise können beispielsweise Objekte mit runder oder nicht orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des Sendesignals liegenden Oberfläche genauer identifiziert bzw. charakterisiert werden. Mehrere Empfangsvorrichtungen können nach allen bekannten Verfahren der elektronischen Strahlschwenkung, z.B. ‚phased arrays‘, ausgelegt sein um den Einfallswinkel der Reflexionsobjekte und damit ihre Position zu bestimmen. Darüber hinaus können gegebenenfalls zusätzliche Vorrichtungen bereitgestellt werden, welche Reflexionssignale, die aufgrund ihrer Ausbreitungsrichtung nicht direkt von einer Empfangsvorrichtung empfangen werden können, gezielt in Richtung der Empfangsvorrichtung(en) lenken. Diese Vorrichtungen weisen bevorzugt einen hohen Reflexionskoeffizienten und/oder eine geringe Beeinflussung der Reflexionssignale auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Empfangsvorrichtung eine Mischerstufe, welche zum Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal geeignet ist, wobei zumindest ein physikalischer Parameter des Systems basierend auf der ermittelten Frequenzdifferenz ermittelbar ist.
Die Auswertung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals, insbesondere das Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal, kann insbesondere mithilfe einer Mischerstufe durchgeführt werden.
Die empfängerseitige Mischerstufe weist dabei keinen gesonderten Eingang für das Sendesignal auf (sog. Lokaloszillator), sondern verwendet stattdessen das erste Empfangssignal, welches das von dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) reflektierte Sendesignal ist, als Lokaloszillator bzw. als Referenzsignal.
Weisen die Empfangssignale eine Frequenzmodulation auf, beispielsweise Treppen, Dreieck- oder Sägezahnmuster, ist es möglich, die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal durch die auftretende Frequenzdifferenz zwischen dem Empfangssignal und dem Referenzsignal zu ermitteln.
Ein dritter Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend:

eine Sendevorrichtung mit einer Sendeantenne, dazu ausgebildet ein Sendesignal umfassend zumindest eine modulierte Welle auszusenden;
eine Empfangsvorrichtung mit einer Empfangsantenne, dazu ausgebildet:
- ein erstes Empfangssignal zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert;
- ein zweites Empfangssignal zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Sendesignal basiert; und
- den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems, insbesondere den Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, basierend auf dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal zu ermitteln.

Insbesondere kann das Sendesignal mindestens eine modulierte elektromagnetische Welle und/oder mindestens eine modulierte akustische Welle umfassen. Die Verwendung von mindestens einer modulierten elektromagnetischen Welle und mindestens einer modulierten akustischen Welle kann insbesondere den Anwendungsbereich des Verfahrens vergrößern.
Vorzugsweise kann bei bekanntem Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt, physikalische Parameter eines Mediums, beispielsweise Materialeigenschaften, zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ermittelt werden.
Die Sendeantenne der Sendevorrichtung und die Empfangsantenne der Empfangsvorrichtung befinden sich bei dem System näherungsweise auf derselben Position und sind näherungsweise identisch ausgerichtet, sodass die Ausbreitungsrichtung sowohl des von der Sendevorrichtung ausgesendeten Sendesignals als auch der von dem ersten Reflexionsobjekt und/oder zweiten Reflexionsobjekt reflektierten Strahlung entlang einer zur Oberfläche der Objekte, welche die Reflexionsobjekte darstellen bzw. umfassen, im Wesentlichen senkrecht stehenden Linie verläuft. Der Winkel zwischen der primären Ausbreitungsrichtung des Sendesignals und der von den Reflexionsobjekten reflektierten und von der Empfangsvorrichtung empfangenen Strahlung beträgt somit annähernd 0°.
Aufgrund der Ausrichtung der Sende- und Empfangsantennen entspricht die zeitliche Verzögerung der Dauer, die das Sendesignal für das Zurücklegen der doppelten Distanz zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und dem zweiten Reflexionsobjekt benötigt.
Die Auswertung des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals, insbesondere das Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal, kann mithilfe einer Mischerstufe durchgeführt werden, wobei die Mischerstufe keinen Eingang für das Sendesignal aufweist, sondern stattdessen das erste Empfangssignal als Referenzsignal verwendet.
Vorzugsweise ist das System ein mobiles System, insbesondere ein tragbares System. Hierdurch kann das System am Ort des zu untersuchenden Objekts auf einfache Weise aufgebaut und verwendet werden, ohne dass ein Entnehmen von Proben notwendig ist. Insbesondere kann das System an eine Energiequelle anschließbar sein, und/oder eine interne Energiequelle, beispielsweise eine sekundäre Batterie, umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren illustrierten, exemplarischen Ausführungsbeispielen weiter erklärt.
Figurenliste

1a zeigt ein konventionelles System zur Detektion von Reflexionsobjekten ;
1 b zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt Empfangssignale der beispielhaften Ausführung in 1b.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1a zeigt ein konventionelles System zur Detektion von Reflexionsobjekten, wobei das Sendesignal 12 als Lokaloszillator in der Mischerstufe 23 eingesetzt wird. Die Sendevorrichtung 10 umfasst einen Signalgenerator bzw. Funktionsgenerator 13 und eine Sendeantenne 11. Das Sendesignal 12 wird auf ein zu detektierendes Reflexionsobjekt 1 gerichtet und von diesem reflektiert. Das Reflexionsobjekt 1 ist beispielsweise ein Fremdkörper in einem ansonsten homogenen Objekt. Die Empfangsvorrichtung 20 des Systems umfasst eine Empfängerantenne 21, die das von dem Reflexionsobjekt 1 reflektierte Sendesignal 12, welches dem Empfangssignal 22 entspricht, empfängt. Der ebenfalls von der Empfangsvorrichtung 20 umfassten Mischerstufe 23 werden sowohl das Sendesignal 12 als auch das Empfangssignal 22 zugeführt. Die Mischerstufe 23 analysiert und vergleicht das Sendesignal 12 und das Empfangssignal 22 und leitet die Messergebnisse, im vorliegenden Fall der Abstand zwischen Sendeantenne 11 bzw. Empfangsantenne 21 und Reflexionsobjekt 1, an beispielsweise eine Ausgabevorrichtung 24 weiter.
Das Reflexionsobjekt 1 ist im vorliegenden Beispiel eine sich in die Bildebene erstreckende Eisenstange in einem gegossenen Betonblock. Das in der 1a dargestellte System ist in der Lage, die Eisenstange zu detektieren und deren Position im Verhältnis zu Sendeantenne 11 bzw. Empfangsantenne 21 zu bestimmen. Dazu wird das von der Empfangsantenne 21 empfangene Empfangssignal 22 mit dem von der Sendevorrichtung 10 ausgesendete Sendesignal 12 durch die Mischerstufe 23 verglichen. Durch die von dem Sendesignal 12 zurückgelegte Strecke von Sendeantenne 11 zum Reflexionsobjekt 1 und vom Reflexionsobjekt 1 zu der Empfangsantenne 21 weist das Empfangssignal 22 eine Zeitverzögerung im Vergleich zum direkt vom Signalgenerator 13 der Mischerstufe 23 zugeführten Sendesignal 12 auf. Die Zeitverzögerung entspricht der Dauer, die die von der Sendeantenne 11 ausgesendete Strahlung für Zurücklegen der Strecke von der Sendeantenne 11 zum Reflexionsobjekt 1 und vom Reflexionsobjekt 1 zur Empfangsantenne 21 benötigt.
Da bei dem in der 1a dargestellten System die Sendeantenne 11 und die Empfangsantenne 21 direkt nebeneinander positioniert sind, sich also annähernd an derselben Position befinden, ist der räumliche Abstand zwischen Sendeantenne 11 und Reflexionsobjekt 1 identisch mit dem räumlichen Abstand zwischen Reflexionsobjekt 1 und Empfangsantenne 21. Folglich entspricht die Zeitverzögerung des Empfangssignals 22 der Dauer, die die ausgesendete Strahlung für die doppelte Strecke zwischen Sendeantenne 11 und Reflexionsobjekt 1 bzw. Reflexionsobjekt 1 und Empfangsantenne 21 benötigt. Folglich kann eine exakte Position des Reflexionsobjekts 1 im Verhältnis zu dem Detektionssystem bestimmt werden.
Bei vielen Anwendungen hingegen ist die Distanz zwischen Reflexionsobjekt 1 und dem Detektionssystem weniger von Interesse als die exakte Position des Reflexionsobjekts 1 innerhalb eines Objekts, insbesondere in Relation zu dessen Oberfläche oder anderen in das Objekt eingebrachten Elementen. Bei dem in 1a gezeigten, konventionellen Verfahren muss zusätzlich der Abstand zwischen Oberfläche und Detektionssystem gemessen werden, und die jeweils erhaltenen Ergebnisse weiter verrechnet werden. Der technische Aufwand dafür ist jedoch sehr hoch.
In vorliegendem Beispiel ist die genaue Position der Eisenstange im Betonblock weniger entscheidend. Vielmehr muss sichergestellt werden, dass z.B. das Reflexionsobjekt, d.h. hier die Eisenstange detektiert wird und/oder dass die Eisenstange einen ausreichenden Abstand zur Oberfläche des Betonblocks hat, sprich dass die Eisenstange durch ausreichend Material überdeckt und sicher in dem Betonblock verankert ist.
Insbesondere für solche Anwendungen bietet das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Methode mit deutlich reduzierter Empfängerkomplexität und erhöhter Empfindlichkeit.
Die 1b zeigt eine beispielhafte Ausführung des Systems der vorliegenden Erfindung, wobei die Mischerstufe 23 keinen gesonderten Eingang für das Sendesignal 12 aufweist. Die Sendevorrichtung 10 umfasst einen Signalgenerator bzw. Funktionsgenerator 13 und eine Sendeantenne 11. Das Sendesignal 12 wird auf die zu detektierenden Reflexionsobjekte 2a und 2b gerichtet und von diesen reflektiert. Das Reflexionsobjekt 2b ist in diesem Beispiel ein Fremdkörper in einem ansonsten homogenen Objekt, wobei das Reflexionsobjekt 2a dessen Oberfläche ist.
Eine mögliche Anwendung der vorliegenden beispielhaften Ausführung stellt die Analyse von aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) gefertigten Bauteilen dar. Verschiedene Defekte in der Struktur der Bauteile, wie z.B. Verunreinigungen, Delaminierung, Falten, Lufteinschlüsse, Harznester, trockene Laminatstellen oder Ondulation der Fasern können sowohl während des Produktionsprozesses als auch am fertiggestellten Bauteil vollständig und sicher erkannt werden.
In diesem Anwendungsfall stellt die Oberfläche des Bauteils das erste Reflexionsobjekt 2a, und somit das Referenzobjekt, dar. Bei einem idealen Bauteil mit einer homogenen inneren Struktur würde eine zweite Reflexion erst an der Rückseite des Bauteils stattfinden. In diesem Fall entspricht das Reflexionsobjekt 2b der Rückseite des analysierten Bauteils. Im Falle von oben beschriebenen Defekten finden jedoch im Bauteil selber weitere Reflexionen an den Grenzschichten der einzelnen Defekte statt, wobei die verschiedenen Defekte den Reflexionsobjekten 2b entsprechen. Mithilfe der Signalauswertung kann der Abstand zwischen der Bauteiloberfläche (Reflexionsobjekt 2a/Referenzobjekt) und den Defekten (Reflexionsobjekte 2b) ermittelt werden. Im Weiteren kann durch eine Vielzahl von Messungen die räumliche Ausdehnung der Defekte ermittelt werden.
Die Empfangsvorrichtung 20 des Systems umfasst eine Empfängerantenne 21, die das von den Reflexionsobjekten 2a und 2b reflektierte Sendesignal 12, welches den Empfangssignalen 22a bzw. 22b entsprechen, empfängt und diese der ebenfalls von der Empfangsvorrichtung 20 umfassten Mischerstufe 23 zuführt. Die Mischerstufe 23 analysiert die Empfangssignale 22a und 22b und leitet die Messergebnisse, im vorliegenden Fall den Abstand zwischen Reflexionsobjekt 2a und Reflexionsobjekt 2b, an beispielsweise eine Ausgabevorrichtung 24 weiter.
Die von der Empfangsantenne 21 empfangenen Empfangssignale 22a und 22b werden durch die Mischerstufe 23 analysiert. Dabei weist das Empfangssignal 22b eine zeitliche Verzögerung gegenüber dem Empfangssignal 22a auf, da die von der Sendeantenne 11 ausgesendete Strahlung zusätzlich die Strecke von dem Reflexionsobjekt 2a zum Reflexionsobjekt 2b und vom Reflexionsobjekt 2b zum Reflexionsobjekt 2a zurücklegen muss, sprich den doppelten Abstand zwischen Reflexionsobjekt 2a und Reflexionsobjekt 2b.
Die Zeitverzögerung der Empfangssignale 22a und 22b in Relation zum Sendesignal 12 wird nicht gemessen, da die Mischerstufe 23 keinerlei Information über das ausgesendete Sendesignal 12 erhält. Dadurch kann eine reduzierte Empfängerkomplexität erreicht werden.
Die 2 zeigt die der Mischerstufe zugeführten Empfangssignale der beispielhaften Ausführung in 1b. Dargestellt ist das Empfangssignal 22a, welches das von dem Reflexionsobjekt 2a reflektierte Sendesignal 12 umfasst, und das Empfangssignal 22b, welches das von dem Reflexionsobjekt 2b reflektierte Sendesignal 12 umfasst und im Vergleich zu dem Empfangssignal 22a zeitverzögert ist.
Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Sendesignal 12 um ein frequenzmoduliertes Signal mit Sägezahn-Form, welches besonders geeignet für das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist. Durch die zeitliche Verzögerung Δt des Empfangssignals 22b kann für einen bestimmten Zeitpunkt t₁ die Frequenzdifferenz Δf der beiden Empfangssignale 22a und 22b ermittelt werden. Durch Ermitteln der Steilheit des Frequenzanstiegs, sprich die Änderung der Frequenz pro Zeit, kann auf die zeitliche Verzögerung Δt und folglich auf die Distanz zwischen Reflexionsobjekt 2a und 2b rückgeschlossen werden.
Wie in 2 zu sehen, kann die Distanz zwischen den Reflexionsobjekten nur eindeutig bestimmt werden, wenn die Zeitverzögerung des zweiten Empfangssignals 22b aufgrund der zusätzlich zurückgelegten Strecke geringer ist als die Periodendauer des Sendesignals, die sogenannte „sweep time“. Außerdem muss der Messzeitpunkt t₁ so gewählt sein, dass dieser nach der steilen, abfallenden Flanke des zeitverzögerten Empfangssignals 22b und vor der steilen, abfallenden Flanke des Empfangssignals 22a liegt, da sonst kein korrektes Ergebnis basierend auf der Frequenzdifferenz der beiden Empfangssignale errechnet werden kann. Dies gilt in gleicher Weise bei Verwendung eines frequenzmodulierten Sendesignals bei dem konventionellen Verfahren nach 1a.
Bei frequenzmodulierten Sendesignalen wird durch die Wahl des Frequenzhubs pro Zeit das Auflösungsvermögen (Genauigkeit) und durch die Dauer des Frequenzanstiegs (Periodendauer) der maximal mögliche Messbereich bestimmt. Ein großer Frequenzhub benötigt eine aufwendigere und teurere Sende- und Empfangselektronik, sodass dieser in der Regel moderat gehalten wird. Hingegen ist meist ein möglichst gutes Auflösungsvermögen des Detektionssystems wünschenswert. Folglich muss der Messbereich des Detektionssystems eingeschränkt werden, um ein möglichst genaues System mit moderatem technischem Aufwand zu erhalten
Der Messbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Vergleich sehr gering. Er entspricht der Distanz zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) und dem davon am weitesten entfernten Reflexionsobjekt. Bei konventionellen Verfahren, wie etwa in 1a dargestellt, wird ein weitaus größerer Messbereich benötigt, da sich dieser zusätzlich auf die Distanz zwischen Sendeantenne 11 und dem am nächsten gelegenen Reflexionsobjekt (Referenzobjekt) erstrecken muss, was in der Regel einer Vervielfachung des Messbereichs entspricht.
Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch eine stark verbesserte Genauigkeit bei gleichbleibendem technischem Aufwand.
Bezugszeichenliste

1: Reflexionsobjekt
2a: erstes Reflexionsobjekt
2b: zweites Reflexionsobjekt
10: Sendevorrichtung
11: Sendeantenne
12: Sendesignal
13: Signalgenerator
20: Empfangsvorrichtung
21: Empfangsantenne
22: Empfangssignal
22a: erstes Empfangssignal
22b: zweites Empfangssignal
23: Mischerstufe
24: Ausgabevorrichtung

Claims

Verfahren zur Ermittlung zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend die Schritte: Erzeugen eines Sendesignals (12) umfassend zumindest eine modulierte Welle; Empfangen eines ersten Empfangssignals (22a), wobei das erste Empfangssignal (22a) auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt (2a) reflektierten Sendesignal (12) basiert; Empfangen eines zweiten Empfangssignals (22b), wobei das zweite Empfangssignal (22b) auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierten Sendesignal (12) basiert; Ermitteln des zumindest einen physikalischen Parameters des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte elektromagnetische Welle umfasst und/oder wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte akustische Welle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sendesignal (12) eine frequenzmodulierte und/oder phasenmodulierte und/oder amplitudenmodulierte und/oder pulsmodulierte Welle umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine physikalische Parameter ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt und dem zweiten Reflexionsobjekt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei bekanntem Abstand zwischen erstem und zweitem Reflexionsobjekt als der zumindest eine physikalische Parameter des Systems das Vorhandensein eines Mediums zwischen erstem und zweitem Reflexionsobjekt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei als physikalischer Parameter des Systems zumindest ein physikalischer Parameter des Mediums, insbesondere dielektrische Eigenschaften des Mediums, ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Reflexionsobjekt (2b) zumindest teilweise von dem ersten Reflexionsobjekt (2a) umgeben ist; und/oder wobei das Sendesignal (12) zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt (2a) propagiert und aus diesem austritt, bevor es von dem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von dem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierte Sendesignal (12) zumindest teilweise durch das erste Reflexionsobjekt (2a) propagiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein örtlicher Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (2a) und dem zweiten Reflexionsobjekt (2b) basierend auf einer Divergenz der Modulation des ersten Empfangssignals (22a) und des zweiten Empfangssignals (22b) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine physikalische Parameter des Systems, insbesondere ein Abstand zwischen dem ersten Reflexionsobjekt (2a) und dem zweiten Reflexionsobjekt (2b), basierend auf einer Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) ermittelt wird.
Vorrichtung zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend: eine Empfangsvorrichtung (20) mit einer Empfangsantenne (21), dazu ausgebildet: ein erstes Empfangssignal (22a) zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal (22a) auf einem von einem ersten Reflexionsobjekt (2a) reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert; ein zweites Empfangssignal (22b) zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal (22b) auf einem von einem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierten Signal umfassend zumindest eine modulierte Welle basiert; und den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte elektromagnetische Welle umfasst und/oder wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte akustische Welle umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Empfangsvorrichtung (20) eine Mischerstufe (23) umfasst, welche zum Ermitteln der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) geeignet ist, wobei der zumindest eine physikalische Parameter des Systems basierend auf der ermittelten Frequenzdifferenz ermittelbar ist.
System zum Ermitteln zumindest eines physikalischen Parameters eines Systems mit zumindest zwei Reflexionsobjekten umfassend: eine Sendevorrichtung (10) mit einer Sendeantenne (11), dazu ausgebildet ein Sendesignal (12) umfassend zumindest eine modulierte Welle auszusenden; eine Empfangsvorrichtung (20) mit einer Empfangsantenne (21), dazu ausgebildet: ein erstes Empfangssignal (22a) zu empfangen, wobei das erste Empfangssignal (22a) auf dem von einem ersten Reflexionsobjekt (2a) reflektierten Sendesignal (12) basiert; ein zweites Empfangssignal (22b) zu empfangen, wobei das zweite Empfangssignal (22b) auf dem von einem zweiten Reflexionsobjekt (2b) reflektierten Sendesignal (12) basiert; und den zumindest einen physikalischen Parameter des Systems basierend auf dem ersten Empfangssignal (22a) und dem zweiten Empfangssignal (22b) zu ermitteln.
System nach Anspruch 14, wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte elektromagnetische Welle umfasst und/oder wobei die zumindest eine modulierte Welle eine modulierte akustische Welle umfasst.
System nach Anspruch 14 oder 15, wobei das System ein mobiles System, insbesondere ein tragbares System ist.