DE102007044015A1

DE102007044015A1 - Automatic non-destructive insight obtaining method for luggage inspection, involves displacing radar emitter relative to box over two-dimensional aperture, and supplying beam response of signal processing for displaying content in box

Info

Publication number: DE102007044015A1
Application number: DE102007044015A
Authority: DE
Inventors: Manfred Hägelen
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur AN; Forschungsgesellschaft fur Angewandte Naturwissenschaften Ev(fgan)
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-03-19

Abstract

The method involves illuminating a non-metallic closed box (1) with a radar emitter (3). The emitter is displaced relative to the box over a two-dimensional aperture. A beam response of signal processing is supplied for displaying content in the box using a display (5). Analog measuring signals are filtered, amplified and stored in a digitized manner. Distribution of reflectivity of a scene is computed over signal runtime. A three-dimensional scatter center distribution of a spatial area is emitted according to a principle of a synthetic aperture using a polar reformatting algorithm. An independent claim is also included for a device for executing a method for obtaining automatic non-destructive insight in a non-metallic closed box.

Description

Eine berührungs- und zerstörungslose Untersuchung bzw. Durchleuchtung des Inneren von geschlossenen Objekten, wie Kisten, Paketen oder Gepäckstücken ist in vielen sicherheitskritischen Bereichen, beispielsweise Flughäfen, Bahnhöfen oder in Zollstationen unverzichtbar. Um beurteilen zu können, ob der Inhalt eines Gepäckstückes gefährliche Objekte wie Waffen oder Sprengstoffe enthält oder sich von Angaben in den Unterlagen unterscheidet, wäre es wünschenswert, die im Gepäckstück enthaltenen Gegenstände bildhaft darzustellen. Als besonders vorteilhaft gilt eine 3-dimensionale Darstellungsweise, weil damit auch ungünstig liegende oder sich gegenseitig verdeckende Objekte zuverlässig identifiziert werden können. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Entdeckung von metallischen Gegenständen zu, von denen ein besonderes Gefährdungspotenzial ausgeht.A contact- and non-destructive Examination or examination of the interior of closed objects, such as boxes, parcels or luggage in many safety-critical areas, such as airports, railway stations or in Customs stations indispensable. To be able to judge if the contents of a piece of luggage are dangerous objects such as weapons or explosives or contains information in different from the documents would be it desirable those contained in the luggage objects to represent pictorially. Particularly advantageous is a 3-dimensional Representation, because it is also unfavorable or mutually Covering objects reliable can be identified. Of particular importance is the discovery of metallic objects of which a particular hazard potential emanates.

Nach dem allgemeinen Stand der Technik werden zur Lösung des geschilderten Problems hauptsächlich Metalldetektoren, röntgenbasierte Geräte sowie chemische Sensoren eingesetzt.To In the general state of the art, to solve the problem described, mainly metal detectors, X-ray based equipment and chemical sensors used.

Dabei ergibt sich bei der Verwendung von Metalldetektoren der Nachteil, dass sie nur die Anwesenheit von Metall anzeigen, aber keine Informationen über physikalische Form oder Größe des verdächtigen Gegenstandes liefern können.there results in the use of metal detectors the disadvantage that they only show the presence of metal, but no information about physical Shape or size of the suspect Can supply object.

Röntgenbasierte Systeme arbeiten typisch auf der Grundlage ionisierender Strahlung im Transmissionsbetrieb, das zu untersuchende Objekt muss sich also zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger befinden. Ein in einer Raumecke stehendes Gepäckstück kann jedoch auf diese Weise nicht untersucht werden. Außerdem senden solche Geräte ionisierende Strahlung aus, die erhebliche Vorsichts- und Schutzmaßnahmen erzwingt. Ein gesundheitsschädliches Risiko für die Bedienmannschaft ist bleibt dennoch wegen z. B. immer möglicher Fehlbedienung oder des Versagens der Schutzvorrichtungen weiter vorhanden.X-ray-based Systems typically work on the basis of ionizing radiation in transmission mode, the object to be examined must be so between the radiation source and the receiver. One in one Room corner standing luggage can However, this will not be investigated in this way. Also send such devices ionizing Radiation, which requires considerable precautionary and protective measures. A harmful Risk for the operating team is still due to z. B. always possible Incorrect operation or failure of the guards on available.

Chemische Sensoren können den Inhalt eines Gepäckstückes ebenfalls nicht darstellen, sie reagieren nur auf die Anwesenheit bestimmter Substanzen.Dry Sensors can the contents of a piece of luggage as well do not represent, they only respond to the presence of certain Substances.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine völlig neuartige Möglichkeit zu einer ungefährlichen automatischen zerstörungsfreien Inneneinsicht in geschlossene Behältnisse zu schaffen.task The invention is a completely novel possibility to a harmless automatic non-destructive Inside to create closed containers.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren nach Anspruch 1 mit seinen Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 und 3, nach dem eine Einrichtung nach Anspruch 4 und ihrer weiteren Ausbildungen funktioniert, wie sie in den Unteransprüchen 5 und 6 angegeben sind.The solution The object is achieved by a method according to claim 1 with his Embodiments according to the claims 2 and 3, according to which a device according to claim 4 and its other Training works, as in the subclaims 5 and 6 are indicated.

Das neue radarbasierte Prüfkonzept ermöglicht nunmehr die berührungslose Durchleuchtung eines geschlossenen Objektes und eine 3-dimensionale interaktive Dar stellung seines Inhalts. Die Messung erfolgt im Reflektionsbetrieb, was die Messgeometrie erheblich vereinfacht.The new radar-based test concept allows now the non-contact Transillumination of a closed object and a 3-dimensional interactive presentation of its content. The measurement takes place in reflection mode, which considerably simplifies the measuring geometry.

Die neue Prüfeinrichtung kann im Vergleich mit dem Stand der Technik kostengünstiger aufgebaut werden, ist leicht transportabel ausführbar und flexibel in der Bedienung bei der Festlegung von Messentfernung und Blickwinkel. Von der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung gehen keinerlei Gesundheitsgefahren aus, es wird also keine Abschirmung oder Schutzkleidung mehr benötigt.The new testing device can be more cost effective compared to the prior art can be easily transported and flexible in operation in determining measurement distance and viewing angle. From the sent out electromagnetic radiation does not pose any health hazards so no shielding or protective clothing is needed anymore.

Nach dem neuen Verfahren wird mittels einem FMCW-Radarsystem im Millimeterwellenbereich, welches sich durch eine geringe Sendeleistung und eine hohe Bandbreite auszeichnet, das zu untersuchende Behältnis aus verschiedenen Richtungen angestrahlt, die vorzugsweise mittels eines mechanischen Positionierers eingenommen werden, welcher in der Lage ist, mit Hilfe einer 2-Achsigen Verstellung den Radarsensor schnell und genau im Raum zu verschieben.To The new method is implemented by means of an FMCW radar system in the millimeter-wave range, which is characterized by a low transmission power and a high bandwidth distinguishes the container to be examined from different directions, preferably occupied by means of a mechanical positioner which is capable of using a 2-axis adjustment Radar sensor to move quickly and accurately in space.

Durch die Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung im Millimeterwellenbereich, viele Materialien wie Stoffe, Holz oder Kunststoff durchdringen zu können, wird das vom Radar ausgesendete Signal an den Gegenständen im Inneren des durchleuchteten Gepäckstücks reflektiert, zurückgestreut und wieder aufgefangen. Wiederholte Messungen aus vielen Blickrichtungen ermöglichen, die räumliche Anordnung aller Streuzentren zu rekonstruieren und grafisch darzustellen. Besonders metallische Objekte, die sehr gut elektromagnetische Wellen reflektieren, können auf diese Weise zuverlässig identifiziert werden.By the property of electromagnetic radiation in the millimeter-wave range, penetrate many materials such as fabrics, wood or plastic to be able to the radar sends the signal to the objects in the Inside of the illuminated bag reflects, backscattered and caught again. Repeated measurements from many directions enable, the spatial Arrangement of all scattering centers to reconstruct and graphically represent. Especially metallic objects that are very good electromagnetic waves can reflect reliably identified in this way become.

Die ermittelten Daten werden dazu einer Datenverarbeitung zugeführt, die nach dem Prinzip der Synthetischen Apertur (SAR) eine 3-dimensionale Abbildung des vermessenen Raumbereiches mit allen darin befindlichen Gegenständen erzeugt. Neben einer bloßen Anzeige dieser Daten auf einem Monitor ist es nebenher auch möglich, sie nach vorgebbaren Kriterien, wie z. B. eine Gegenstandsform, automatisch beurteilen zu lassen, wonach das Ergebnis neben oder ganz ohne visuelle Darstellung zu einer Alarmierungsausgabe führt.The determined data are fed to a data processing, the according to the principle of synthetic aperture (SAR) a 3-dimensional image the measured space area with all the objects contained therein. In addition to a mere It is also possible to display these data on a monitor according to specifiable criteria, such. As an object form, automatically to judge, after which the result beside or without visual Representation leads to an alarm output.

Die Einrichtung nach dem neuen Verfahren, lässt sich selbstverständlich auch mit herkömmlichen Prüfmitteln in der Weise kombinieren, dass gleichzeitig eine z. B. chemische Kontrolle mit ausgeführt wird.The Device according to the new method, of course, can also be with conventional testing equipment combine in such a way that at the same time a z. B. chemical Control with executed becomes.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Abbildung im Einzelnen erläutert.following the invention will be described in detail with reference to a drawing explained.

Die Prüfeinrichtung sieht einen Radarstrahler 3, einen Positionierer 2 und eine Funktionsstufe zur Signalverarbeitung 4 und eine Anzeige 5 vor. Zur Bedienung und Eingabe von z. B. Schablonenvorgaben als Grundlage zur automatischen Gegenstandssuche kann eine Eingabeschnittstelle 6 angeschlossen sein.The tester sees a radar heater 3 , a positioner 2 and a function stage for signal processing 4 and an ad 5 in front. For operation and input of z. B. Template defaults as the basis for automatic item search may be an input interface 6 be connected.

Als Emitter und Empfänger für die Radarstrahlung wird ein breitbandiges FMCW-Radar im mmW-Bereich vorgeschlagen, weil sein Frequenzbereich bei einer geringen relativen Bandbreite eine hohe absolute Bandbreite aufweist. Da die Entfernungsauflösung eines Radars in erster Linie von der Bandbreite des Sendesignals abhängt, kann eine von verschiedenen Positionen aus aufgenommene Szene mit einer Auflösung im cm-Bereich abgebildet werden. Dies ist notwendig um auch kleinere Gegenstände erkennen zu können. Durch das bevorzugte FMCW-Prinzip wer den relativ lange Pulse (im Bereich einiger Millisekunden) ausgesendet, wodurch nur eine geringe Sendeleistung aufzuwenden ist. Auf diese Weise bleibt die abgegebene HF-Strahlung für den menschlichen Körper völlig unschädlich.When Emitter and receiver for the Radar radiation is proposed as a broadband FMCW radar in the mmW range, because its frequency range is at a low relative bandwidth has a high absolute bandwidth. Because the distance resolution of a Radars primarily depends on the bandwidth of the transmission signal, can a scene taken from different positions with one resolution in the cm range. This is necessary for smaller ones too objects to be able to recognize. By the preferred FMCW principle who the relatively long pulses (im Range of a few milliseconds), causing only a small Transmission power is spent. In this way, the delivered remains RF radiation for the human body completely harmless.

Bei einer geeigneten Auslegung der Signalparameter liegt das zu analysierende Nutzsignal bei relativ niedrigen Frequenzen (idealerweise unter 1 MHz). Dies ist vorteilhaft für die analoge Signalverarbeitung und Digitalisierung der Messdaten. Die komplette Elektronik kann so aus kostengünstigen Komponenten aufgebaut werden. Üblicherweise ist die genaue Linearisierung der Frequenzrampe ein wesentlicher Bestandteil eines FMCW-Radarsystems. Diese Aufgabe wird in vielen Fällen mit Hilfe einer PLL oder durch Einsatz eines digitalen Signalgenerators gelöst. In dem vorliegenden Fall können diese aufwändigen und kostspieligen Verfahren durch eine kostengünstige Software-Lösung im Rahmen der Signalverarbeitung ersetzt werden.at a suitable design of the signal parameters is the one to be analyzed Useful signal at relatively low frequencies (ideally under 1 MHz). This is beneficial for the analog signal processing and digitization of the measured data. The entire electronics can be constructed from inexpensive components become. Usually the exact linearization of the frequency ramp is an essential one Part of an FMCW radar system. This task will be in many make using a PLL or by using a digital signal generator solved. In the present case this elaborate and costly procedures through a cost effective software solution in the Frame of signal processing to be replaced.

Um eine 3-dimensionale Abbildung eines Volumenelements erzeugen zu können, müssen auch die Messdaten in 3 Dimensionen vorliegen. Während die erste Dimension bereits durch die Bandbreite des Radarsystems abgedeckt wird, müssen 2 weitere Dimensionen durch räumliche Abtastung realisiert werden. Praktisch bedeutet das, dass eine Vielzahl von Messungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln durchgeführt werden muss. Hierzu wird ein 2-achsiger Positionier 2 vorgeschlagen, mit dessen Hilfe der Radarstrahler 3 schnell und hochgenau über eine ebene 2-dimensionale Apertur bewegt werden kann. Ein solches System wäre kompakt, transportabel und flexibel bezüglich Abstand zum Messobjekt und Größe des abgebildeten Bereiches. Je nach Einsatzgebiet kann der Messabstand etwa in dem Bereich von 1 bis 10 m liegen. In einer Basiskonfiguration kann ein solcher Positionierer 2 mit nur einem Sensor bestückt werden, für eine Steigerung der Prüfleistung können aber auch mehrere Radarstrahler 3 gleichzeitig verwendet werden.In order to generate a 3-dimensional image of a volume element, the measurement data must also be in 3 dimensions. While the first dimension is already covered by the bandwidth of the radar system, 2 additional dimensions must be realized by spatial sampling. In practical terms, this means that a large number of measurements must be made from different angles. For this purpose, a 2-axis positioning 2 proposed, with the help of the radar heater 3 can be moved quickly and with high precision over a flat 2-dimensional aperture. Such a system would be compact, portable and flexible in terms of distance to the measurement object and size of the imaged area. Depending on the field of application, the measuring distance may be approximately in the range of 1 to 10 m. In a basic configuration, such a positioner 2 can be equipped with only one sensor, for an increase in the test performance but also several radar 3 to be used simultaneously.

Das analoge Messsignal wird in einer Signalverarbeitungsstufe 4 gefiltert, verstärkt, digitalisiert und danach für die weitere Verarbeitung herkömmlicher Computertechnik zugeführt. Hier werden daraus in einem ersten Schritt Entfernungsprofile, also der Verlauf der Reflektivität der Szene über der Signallaufzeit, berechnet. Da bei einem FMCW-Radarsystem jede Frequenzkomponente einer festen Entfernung zugeordnet ist, wird vorgeschlagen, dies mit Hilfe der Fourier Transformation auszuführen. Um dabei die maximal mögliche Entfernungsauflösung erreichen zu können, muss die ausgesendete Frequenzrampe in Abhängigkeit von der Zeit einen linearen Verlauf aufweisen. Wird dazu ein freischwingender spanungsgesteuerter Oszillator (VCO) als Signalquelle verwendet, kann die Frequenzrampe auch nicht lineare Anteile enthalten und so von der idealen Kennlinie abweichen. Unter der Bedingung, dass die zeitliche Dauer der Frequenzrampe viel größer ist als die Signallaufzeit, was bei Messentfernungen von einigen Metern zutrifft, lassen sich die Nichtlinearitäten im Nachhinein kompensieren. Dazu ist eine Kalibrierung des Systems durch Vermessung eines Referenzreflektors, der in einer definierten Entfernung angebracht ist, durchzuführen. Aus der Messung lässt sich der tatsächliche Frequenzverlauf rekonstruieren und hochaufgelöste Entfernungsprofile erzeugen.The analog measurement signal is in a signal processing stage 4 filtered, amplified, digitized and then fed for further processing conventional computer technology. Here, in a first step, distance profiles, that is to say the course of the reflectivity of the scene over the signal transit time, are calculated therefrom. In an FMCW radar system, since each frequency component is associated with a fixed distance, it is proposed to do so by means of the Fourier transform. In order to achieve the maximum possible range resolution, the emitted frequency ramp must have a linear course as a function of time. If a free-running voltage-controlled oscillator (VCO) is used as the signal source, the frequency ramp can also contain non-linear components and thus deviate from the ideal characteristic curve. Under the condition that the time duration of the frequency ramp is much greater than the signal propagation time, which is true for measurement distances of a few meters, the nonlinearities can be compensated afterwards. For this purpose, a calibration of the system by measuring a reference reflector, which is mounted at a defined distance to perform. From the measurement, the actual frequency response can be reconstructed and high-resolution distance profiles generated.

Im weiteren Verlauf wird aus den Messdaten eine 3-dimensionale Streuzentrenverteilung des untersuchten Raumbereiches berechnet. Dazu wird das Prinzip der Synthetischen Apertur (SAR) verwendet. Ausführungsgemäß bedeutet das, dass die Messdaten im Computer so zusammen zu setzen sind, als hätte man die Szene mit einer großen fokussierenden Antenne Punkt für Punkt abgetastet. Eine Voraussetzung dazu ist die genaue Kenntnis der Messgeometrie sowie der Bewegungen des Radarstrahlers 3. Für diese SAR-Prozessierung existieren eine Vielzahl von geeigneten Verfahren und Algorithmen, die sich nach Rechenaufwand und Genauigkeit unterscheiden. Wegen der besonders aufwändigen Prozessierung der Daten in dem vorliegenden 3-dimensionalen Fall wird vorgeschlagen, den Polar Reformatting Algorithmus einzusetzen, bei dem die Messdaten durch Interpolation im Frequenzbereich aus einem polaren in ein rechteckiges Raster übertragen werden. Danach liefert eine 3-dimensionale Fourier Transformation sofort das gewünschte Ergebnis. Das gewonnene Ergebnis kann vorzugsweise auf einem Monitor als Ausgabeschnittstelle 5 visuell zur Beurteilung angezeigt werde. Weil bestimmte, als gefährlich eingestufte Gegenstände, schon häufig durch ihre Kontur gekennzeichnet sind, wird zur Unterstützung der nur visuellen Beurteilung des angezeigten Behälterinhalts vorgeschlagen, eine entsprechende Bildverarbeitung mit in den Signalbearbeitungsprozess einzugliedern.In the further course, a 3-dimensional scatter center distribution of the examined space area is calculated from the measured data. For this, the principle of the synthetic aperture (SAR) is used. According to the embodiment, this means that the measurement data in the computer are to be put together as if the scene had been scanned point by point with a large focusing antenna. A prerequisite for this is the exact knowledge of the measuring geometry as well as the movements of the radar heater 3 , There are a variety of suitable methods and algorithms for this SAR processing, which differ in terms of computational complexity and accuracy. Because of the particularly complex processing of the data in the present 3-dimensional case, it is proposed to use the polar reformatting algorithm, in which the measured data are transmitted by interpolation in the frequency domain from a polar grid to a rectangular grid. Thereafter, a 3-dimensional Fourier transform immediately yields the desired result. The result obtained may preferably be on a monitor as an output interface 5 visually displayed for assessment. Because certain objects classified as dangerous are often marked by their contours, the Un support the only visual assessment of the displayed container contents proposed to incorporate a corresponding image processing in the signal processing process.

Neben der visuellen Einsichtnahme mittels des vorgeschlagenen Radarstrahlers sind natürlich sinnvolle parallele Ergänzungen durch andere Prüfverfahren, wie z. B Sensoren für die Anwesenheit chemischer Stoffe, denkbar. Eine Leistungssteigerung ist durch die Verwendung mehrerer Radarstrahler 3 mit entsprechend erweiterter Signalbearbeitungsstufe 4 erreichbar.In addition to the visual inspection by means of the proposed radar emitter are of course useful parallel additions by other test methods, such. B sensors for the presence of chemical substances, conceivable. An increase in performance is due to the use of multiple radar sources 3 with correspondingly extended signal processing stage 4 reachable.

11: Behältniscontainer
22: Positioniererpositioners
33: Radarstrahlerradar emitters
44: SignalverarbeitungsstufeSignal processing stage
55: AusgabeschnittstelleOutput interface
66: EingabeschnittstelleInput interface

Claims

Method for automatic non-destructive internal inspection in non-metallic closed containers, in which at least one radar radiator ( 3 ) at least one container ( 1 ), the radar heater ( 3 ) via a 2-dimensional aperture relative to the container ( 1 ), the beam response is applied to a signal processor which outputs an indication of the container contents.

Method according to claim 1, characterized in that a) that with the radar radiator ( 3 ) a plurality of measurements from different angles to the container ( 1 b) whose received analog measurement signals are filtered, amplified, stored digitized, c) in a first step, distance profiles, ie the course of the reflectivity of the scene over the signal propagation time, are calculated d) from the calculated measurement data a 3 -dimensional scattering center distribution of the investigated spatial region is determined according to the principle of synthetic aperture (SAR) using the polar reformatting algorithm, in which the frequency domain measurement data are transmitted by interpolation from a polar to a rectangular grid, e) a 3-dimensional Fourier on the measurement data Transformation is applied, f) the result is output.

A method according to claim 1 or 2, characterized by, by its combination with at least one fluoroscopy method other technology.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized by, an automatic evaluation of the output according to specifiable Criteria.

Device for carrying out the method according to Claim 1, characterized by at least one radar radiator ( 3 ) with receiving device for this radiation, a 2-axis positioner ( 2 ), with which the radar radiation can be moved over a plane 2-dimensional aperture, relative to the container, a signal processing stage ( 4 ) with connected output interface ( 5 ) for an analog measurement signal, an input interface ( 6 ).

Device according to claim 5, characterized by, at least one FMCW radar with receiving device for this Radiation, designed for the operation in the broadband mmW range.

Device according to one of Claims 5 or 6, characterized by a signal processing stage ( 4 ) with filter for the analog measuring signal, signal amplifier, digitizer, latch one computing stage and an input and output interface ( 5 . 6 ).

Use of a device according to claim 5, to Baggage inspection.