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1. (WO2015172771) RADAR À SYNTHÈSE D'OUVERTURE INVERSE (ISAR) DESTINÉ À LA DÉTECTION D'IMPURETÉS DANS UNE SUBSTANCE
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Inverses Synthetisches Apertur Radar (ISAR) zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material

Die Erfindung betrifft ein Inverses Synthetisches Apertur Radar (ISAR) zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in

Lebensmittel-Schüttgut wie Zucker, Mais, Reis, Mehl, Getreide, Kartoffeln etc., das sich durch ein interessierendes Messvolumen (VOI) bewegt. Das ISAR wird heute

beispielsweise in der Beobachtung von erdnahen Weltraumobjekten eingesetzt, um dort zweidimensionale Radarbilder von Satelliten oder anderen Objekten mit einer derartigen Qualität zu erhalten, dass eine Zielidentifizierung ermöglicht wird.

Der Erfindung liegt folgende Problematik zugrunde. Bei Schüttgütern, insbesondere bei Lebensmittel-Schüttgütern (Zucker, Mais, Reis, Mehl, Getreide, Kartoffeln etc.) ist eine hohe Reinheit, d.h. eine minimale Verschmutzung durch Fremdpartikel, am Ende der

Produktionskette erforderlich. Je nach Materialien und Beschaffenheit des Schüttguts ist eine Detektion solcher Fremdpartikel schwierig. Optische und infrarotbasierte Verfahren scheiden meist aus, da diese eine gewisse Transparenz des Schüttguts während des Messvorgangs für diese Wellenlängen notwendig machen, was meist nicht gegeben ist. Ultraschall- bzw. Schallmessverfahren erfahren Schwierigkeiten darin, die notwendige räumliche Auflösung zu erzielen, und sie können leicht durch Störgeräusche beim aktuellen Produktions- bzw. Transportprozess des Schüttguts unbrauchbar gemacht werden. Ferner ist ihre Reichweite je nach akustischer Wellenlänge und

Schüttgutmaterial begrenzt. Röntgentechnische Verfahren sind mit hohen

Sicherheitsmaßnahmen beim Betrieb (Sicherheitsabstand, Schirmung) und langen

Messzeiten verbunden, so dass sie in einer industriellen Produktionsumgebung weniger leicht einsetzbar sind. Magnetische Aussiebverfahren funktionieren nur für

ferromagnetische Fremdpartikel. Massensensitive Aussiebeverfahren (z.B. Absetzen durch Rütteln, Zentrifugieren) erfordern einen hohen Zusatzaufwand und sind uneffektiv, wenn Fremdpartikel und Schüttgutpartikel eine ähnliche Masse aufweisen. Ferner ist meist wünschenswert, ein Detektionsverfahren in bestehenden Produktionseinrichtungen ohne immensen Zusatzaufwand durch Umbaumaßnahmen einzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die in der Lage ist zuverlässig und soweit möglich, ohne die vorstehend genannten Nachteile

aufzuweisen, Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut,

insbesondere in Zucker zu ermöglichen.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.

Die Erfinder haben zunächst erkannt, dass Mikrowellenmessverfahren sich zur Lösung dieser Aufgabe anbieten. Mikrowellen können je nach Frequenzbereich sehr gut viele dielektrische Materialien durchdringen, so auch eine Vielzahl üblicher Schüttgüter (z.B. Gesteine, Kunststoffe, Lebensmittelprodukte, etc.). Ebenfalls ist je nach Messverfahren und Frequenzbereich eine sehr hohe räumliche Auflösung erzielbar und die Messdauern sind durch moderne Elektronik ausreichend kurz zu halten. Mikrowellen sind nicht ionisierend, so dass sie ohne gesundheitliche Risiken überall in einem

Produktionsprozess einsetzbar sind, da zusätzlich auch mit geringsten Leistungen gearbeitet werden kann. Mikrowellen können mit entsprechenden Messverfahren sehr gut dielektrische Unterschiede detektieren, so dass ein Fremdkörper detektierbar ist, sobald er sich dielektrisch vom Schüttgutmaterial hinreichend abgrenzt, was in den meisten

Fällen zutreffend ist. Insbesondere auf metallische Fremdkörper jeglicher Materialart sind Mikrowellenmessverfahren sensitiv.

Zur Lösung der Aufgabe wird daher ein Inverses Synthetisches Apertur Radar (ISAR) zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Zucker, das sich durch ein interessierendes Messvolumen VOI bewegt, vorgeschlagen. Das vorgeschlagene ISAR umfasst einen Radarsender zum Aussenden von Radarsignalen auf das Messvolumen VOI, einen ersten Radarempfänger und einen zweiten Radarempfänger zum Empfang der in dem Messvolumen VOI gestreuten Radarsignale, wobei der Radarsender, der erste und der zweite Radarempfänger derart um das interessierende Messvolumen VOI angeordnet sind, dass der erste

Radarempfänger einen (im Wesentlichen rückwärts parallel zur Senderichtung) gestreuten Anteil der Radarsignale aus dem Messvolumen VOI mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 0 ° ± 30 °oder O ° ± 20 °oder O ° ± 10 °und der zweite Radarempfänger einen (im Wesentlichen senkrecht) gestreuten Anteil der Radarsignale mit einem

Streuwinkel in einem Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 °aus dem Messvolumen (VOI) empfängt. Durch die beiden Streuwinkel um 0° und um 90° werden andersgeartete Streuprozesse erfasst, so dass dadurch ein entscheidender Detektions-und Informationsgewinn entsteht. Weiterhin umfasst das ISAR eine Steuereinheit zur Steuerung des Radarsenders, des ersten und des zweiten Radarempfängers, und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Vorhandenseins einer Verunreinigung im Material auf Basis einer Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale. Die Verunreinigungen werden als detektierbare Objekte (bspw. Partikel etc.) angenommen.

Das durch das Messvolumen bewegte oder sich bewegende Material wird somit zur Erfassung der Verunreinigungen im Material mit Radarstrahlung beaufschlagt. Die durch die Wechselwirkung der Radarstrahlung mit dem Material bzw. mit den darin enthaltenen Verunreinigungen entstehende Streustrahlung wird unter den beschriebenen

Streuwinkeln erfasst und ausgewertet. Die zum Sendesignal kohärente Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen Streustrahlungssignale (Prinzip der

synthetischen Apertur) erlaubt die Ermittlung von individuellen Verunreinigungen, was nachfolgend noch näher ausgeführt wird.

Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR zeichnet sich dadurch aus, dass ein dritter Radarempfänger zum Empfang eines (im Wesentlichen vorwärts) gestreuten Anteils der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 180 ° ± 30 ° oder 180 ° ± 20 ° oder 180 ° ± 10 ° aus dem

Messvolumen VOI angeordnet ist. Damit wird die erfasste Datenmenge durch

andersgeartete Streuprozesse erhöht, was eine genauere und zuverlässigere Aussage über im Material enthaltene Verunreinigungen ermöglicht.

Die Angaben zu den Streuwinkeln beziehen sich dabei jeweils auf die Hauptstrahlrichtung der von dem Radarsender ausgesandten Radarsignale.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR umfasst ein Förderband, das das Material mit der Verunreinigung durch das interessierende Messvolumen VOI bewegt oder ein Rohr durch das sich das Material mit der

Verunreinigung durch das interessierende Messvolumen VOI bewegt. Beide Varianten ermöglichen den Aufbau des ISAR als Modul, das in bestehende Anlagen, die bspw. das Material auf einem Förderband bewegen oder bei denen das Material bspw. durch ein Fallrohr fällt, leicht zu integrieren sind. Natürlich muss hierzu das ISAR für das

Förderband bzw. das Rohr beidseitig eine entsprechende Schnittstelle zur Integration in eine bestehende Anlage aufweisen.

Somit ist es möglich das vorgeschlagene ISAR einfach und ohne großen Zusatzaufwand und mit identischer Qualität bei Mehrfacheinsatz in bestehende Produktionssysteme zu integrieren. Die vorzugsweise große räumliche Nähe der Sensorik (Radarsender/ Radarempfänger) zum Schüttgut erlaubt eine kompakte Bauweise eines solchen Moduls, das mit bspw. zu einer Förderanlage passenden Schnittstellen versehen ist.

Vorteilhaft wird bei dem vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radar ISAR das Material in einer Richtung durch das interessierende Messvolumen VOI bewegt, die einen Winkel im Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 ° oder vorzugsweise 90 ° mit einer Zentralrichtung der vom Radarsender ausgestrahlten Radarsignale einschließt.

Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR weist mehrere erste Radarempfänger zum Empfang jeweils eines (rückwärts) gestreuten Anteils der Radarsignale mit einem Streuwinkel im Bereich von 0° ± 30 ° oder 0° ± 20 ° oder 0 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen VOI auf. Alternativ oder zusätzlich weist das ISAR mehrere zweite Radarempfänger zum Empfang jeweils eines (senkrecht) gestreuten Anteils der Radarsignale mit einem Streuwinkel im Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder

90 ° ± 10 ° oder 90 ° aus dem Messvolumen (VOI) auf. Die weiteren Empfänger ermöglichen die Erfassung von 3D-Radardaten, die ihrerseits eine genauere Erfassung der Geometrie sowie der Position einer in den 3D-Radardaten abgebildeten

Verschmutzung erlauben.

Eine Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR weist mehrere Radarsender (d.h. zumindest zwei oder mehr Radarsender) auf, die jeweils zum Aussenden von Radarsignalen auf das Messvolumen VOI angeordnet sind.

Vorteilhaft senden diese Radarsender orthogonale Radarsignale aus, so dass eine eindeutige Zuordnung von Streusignalen zu jedem Radarsender möglich ist. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn man simultan mit allen Radarsendern im gleichen Frequenzband arbeiten will und aber alle vollkommen unabhängig ausgewertet werden sollen.

Alternativ können mehrere oder alle Radarsender nicht-orthogonale aber kohärente Radarsignale aussenden. Dabei kann man bei kohärenten Radarsignalen bspw. über die einzelnen Sendeantennen zusammen ein schärferes schwenkbares Antennendiagramm erzeugen (bspw. Phased-Array). Denkbar wäre auch eine Kombination aus orthogonalen und nicht-orthogonalen Radarsignalen bspw. im Zeitmultiplex für eine Messung, um kurzzeitig das Signal-Rauch-Verhältnis durch Schärfung des Antennendiagramms (Erhöhung des Antennengewinns) aufzubessern.

Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit auf Basis der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale neben der Detektion zur Ermittlung der Position einer

Verunreinigung im Material ausgeführt.

Weiterhin vorteilhaft ist die Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis der von den Radarempfängern empfangenen Radarsignalen ein 2D- oder 3D-Datensatz erzeugt wird, bei dem jedes Pixel/Voxel zumindest eine Streuamplitude angibt, in dem 2D- oder 3D-Datensatz Cluster C ermittelt werden, deren Pixel/Voxel

Streuamplituden aufweisen, die innerhalb vorgegebener Bereichsgrenzen liegen, diejenigen Cluster CGi ermittelt werden, deren Pixel/Voxel Streuamplituden aufweisen, die größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 sind, und individuelle Verunreinigungen anhand der Form und/oder der Größe der Cluster CGi ermittelt werden. Ein Cluster ist vorliegend ein zusammenhängender Bereich des 2D- oder 3D-Datensatzes, dessen Streuamplituden alle in einem Bereich, definiert durch eine untere und eine obere Bereichsgrenze, liegen.

Der Frequenzbereich der von dem/den Radarsende/n ausgesandten Radarsignale ist bevorzugt aus einem oder mehreren der Frequenzbereiche: L-Band, S-Band, C-Band, X-Band, Ku-Band, K-Band, Ka-Band, V-Band, W-Band oder im G-Band, einstellbar, wobei die Radarsignale eine relative Bandbreite: Af /f0 von 1 - 50 % oder 10% - 50 % oder 20% - 50 % oder 30 % - 50 % oder 20% - 40% aufweisen, wobei f0 die mittlere Frequenz der Radarsignale ist. Die Bandbezeichnungen folgen dabei durchgehend dem IEEE-Standard (wobei G-Band dem Bereich 1 10-300 GHz entspricht).

Eine technisch und anwendungsspezifisch bevorzugte und auch an die Radarbänder angepasste Staffelung der relativen Bandbreite ist folgende, bei der die

Entfernungsauflösung des Radars (dr = c0/(2B) nie schlechter als 15 cm ist, und im besten Fall bis zu 5 mm betragen kann: L-Band: 67%, S-Band: 33-67%, C-Band: 17-67%, X-Band: 10-40%, Ku-Band: 7-40%, K-Band: 4-40%, Ka-Band: 3-40%, V-Band 2-50%, und W-Band: 1 -40%. Natürlich kann auch bänderübergreifend gearbeitet werden, so dass sich die minimale und maximale Bandbreite ggf. stark ändert (bspw. eine Kombination aus L- und S-Band: 40-120% oder eine Kombination aus L-, S-, und C-Band: 22-155%. Im G-Band ist auch bei üblicherweise verminderter Eindringtiefe eine

Entfernungsauflösung bis zu 1 mm erreichbar (z.B. Af/f0 = 67%).

Bei einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Inversen Synthetischen Apertur Radars ISAR ist die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis der

Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale eine rein signalverarbeitungsgestützte Anpassung einer Richtcharakteristik der

Radarempfänger zur Fokussierung auf einen Bereich in dem eine Verunreinigung ermittelt wurde erfolgt. Dies erfolgt insbesondere im Rahmen einer digitalen

Strahlformung.

Der vom Radarsender vorteilhaft verwendete Frequenzbereich richtet sich insbesondere nach der Schüttgutdämpfung. Eine grobe Einteilung für eine maximal nutzbare

Radarfrequenz ist für den Fall, dass übliche Dielektrika mit einem Realteil der Permittivität < 10 und einer maximalen rein materialbedingten Zweiwegdämpfung von 20 dB angenommen werden, der folgenden Tabelle zu entnehmen.


Der Imaginärteil der Permittivität ist ein Maß für die Dämpfung eines Dielektrikums (je größer der Wert, desto größer die Dämpfung). Als Beispiel dafür: Wasser kann je nach

hier betrachteter Frequenz Werte bis zu 20 haben, Kunststoffe haben üblicherweise eher frequenzunabhängige Werte im Bereich 0,01 ...0,0001 . Weitere Werte sind dem

Fachmann leicht (nur zur Info: das ist leider nicht so) zugänglich.

Bei einem Signalweg von Radarsender-Messvolumen-Radarempfänger von < 2 m kann mit einem CW-Radar (CW =„Continuous Wave") gearbeitet werden (bspw. mit einem frequenzmodulierten CW-Radarsender), während bei Signalwegen > 2 m vorzugsweise mit einem Pulsradar gearbeitet wird, dessen Pulsamplitude ebenfalls zusätzlich moduliert sein kann.

Sofern von der Auswerteeinheit das Vorliegen einer Verunreinigung erkannt wurde, wird von der Auswerteeinheit in einer Weiterbildung zumindest ein Steuersignal erzeugt, dass einen steuerbaren Mechanismus zum Aussortieren bzw. zum Entfernen der erkannten Verunreinigung, aktiviert.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erfassung von Verunreinigungen in einem Material, insbesondere in Schüttgut, insbesondere in Zucker, das sich durch ein interessierendes Messvolumen (VOI) bewegt mittels eines Inversen Synthetischen Apertur Radars (ISAR), bei dem von einem Radarsender Radarsignale auf das

Messvolumen VOI ausgesendet werden, ein erster Radarempfänger und ein zweiter Radarempfänger in dem Messvolumen VOI gestreute Radarsignale empfangen, wobei der Radarsender, der erste und der zweite Radarempfänger derart um das

interessierende Messvolumen VOI angeordnet sind, dass der erste Radarempfänger einen (rückwärts) gestreuten Anteil der Radarsignale aus dem Messvolumen VOI mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 0° ± 30 °oder 0° ± 20 °oder 0° ± 10 °und der zweite Radarempfänger einen senkrecht gestreuten Anteil der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 90 ° ± 30 ° oder 90 ° ± 20 ° oder 90 ° ± 10 °aus dem Messvolumen VOI empfängt, eine Steuereinheit den Radarsender, den ersten und den zweiten Radarempfänger steuert, und eine Auswerteeinheit das Vorhandensein einer Verunreinigung im Material auf Basis einer Auswertung der von den Radarempfängern empfangenen gestreuten Radarsignale ermittelt.

Das Verfahren ermöglicht somit die Detektion von Fremdkörpern (Verunreinigungen) insbesondere in Schüttgütern durch ein ISAR, das in mono-, bi- oder multistatischer Messkonfiguration zwei- oder dreidimensionale Radarbilder erzeugt und deren

automatische Auswertung vollzieht. Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren ein Radarsender und drei Radarempfänger in einer bistatischen Anordnung mit den bistatischen Winkeln Ψ um 0 °, Ψ um 90 ° und Ψ um 180 " verwendet. Auch mehrere Radarsender und eine andere Anzahl von Empfängern sind möglich.

Vorzugsweise wird eine hinreichend große Signalbandbreite der Radarsignale sowie ein hinreichend großer Ausleuchtbereich der Radarantennen in Azimutrichtung verwendet, damit durch eine hinreichend große räumliche Auflösung auch kleine Objekte in Bezug zur mittleren Wellenlänge der Radarstrahlung noch hinreichend von Hintergrundsignalen unterschieden werden können.

Vorzugsweise wird das zu nutzende Frequenzband des Radarsenders an die jeweilige Anwendung und das zu durchdringende Schüttgut angepasst. Für hohe Auflösungen von wenigen Millimetern und darunter sowie für geringe Dämpfungseigenschaften des Schüttguts werden vorzugsweise Radarsignale im Millimeter- und Submillimeterbereich verwendet. Bei geringeren Ansprüchen zur Auflösung und bei höherer Dämpfung des Schüttguts sind vorzugsweise Mikrowellen im GHz-Bereich zu nutzen.

Bei Verwendung mehrerer Radarempfänger (jeweils mit Empfangsantenne), werden diese vorzugsweise in z-Richtung in geeigneten unterschiedlichen Abständen

angeordnet, so dass eine dreidimensionale Radarabbildung ermöglicht wird, welche eine verbesserte Detektion und eine genauere Lokalisierung eines Fremdkörpers

insbesondere auch in z-Richtung zulässt.

Vorzugsweise werden bei dem Verfahren mehrere Radarsender verwendet.

Vorzugsweise erzeugen diese bei gleichzeitigem Betrieb orthogonale Radarsignale, um eine eindeutige Trennung der Signale in jedem Empfangszweig vornehmen zu können. Die zusätzlichen Bilder jeder Sender-Empfänger-Kombination liefern unabhängige Informationen, was die Detektierbarkeit von Verschmutzung und eine

Mehrdeutigkeitsunterdrückung verbessert.

Bei simultaner und kohärenter Abtastung der einzelnen Empfangszweige im Zeitbereich ist empfangsseitig eine digitale Strahlformung möglich. Dazu werden vorzugsweise die Antennen der Radarempfänger in Azimutrichtung in geeigneten Abständen angeordnet, was alleine durch Signalverarbeitung eine nachträgliche Veränderung der

empfangsseitigen Ausleuchteigenschaften und damit eine Verbesserung des Signal-zuRausch-Verhältnisses sowie der Mehrdeutigkeitsunterdrückung erlaubt.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren als Signalform der Radarsignale bei kurzen Abständen der Radarsender/empfänger zum Schüttgut bzw. zum Messvolumen mit modulierten CW-Signalen (CW = Continuous Wave) und bei größeren Abständen mit zusätzlich modulierten Pulssignalen gearbeitet. Als Modulationsformen werden

vorzugsweise lineare Frequenzmodulation, Rauschen oder per Phasenumtastung kodierte Signale verwendet.

Zur Auswertung der von den Radarempfängern erfassten gestreuten Radarsignale bzw. zur Radar-Bildgenerierung jeder Sender-Empfänger-Kombination bzw. aus mehreren Kombinationen zusammen, werden vorzugsweise mit einem Rückprojektionsverfahren und etablierten Methoden der Bildverarbeitung qualitativ hochwertige Radarbilder erzeugt, die zur Objektdetektion und damit zur Detektion von Verschmutzung geeignet sind.

Die bei der Auswertung der von den Radarempfängern erfassten gestreuten

Radarsignale erzeugten 2D- oder 3D-Radarbilddatensätze werden vorzugsweise mit etablierten Verfahren der Objektdetektion ausgewertet um das Vorhandensein von Verschmutzung (Fremdkörpern) in einem Schüttgut mit hoher

Detektionswahrscheinlichkeit bei geringer Falschalarmwahrscheinlichkeit zu ermöglichen. Dabei ist vorzugsweise auch die Nutzung zeitlicher Bildsequenzen vorteilhaft, die beim Durchgang eines Fremdkörpers durch die synthetische Apertur während der

Schüttgutbewegung entstehen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens werden nach einer Erkennung einer oder mehrerer Verschmutzung/en (Fremdkörper) im Schüttgut, diese vorteilhaft nach einer aus den bekannten Systemparametern (bspw. Geschwindigkeit des Förderbandes, etc.) bestimmten Zeit mit Hilfe eines vorzugsweise mechanischen Zugriffs entfernt. Diese Entnahme der/des Fremdkörper/s wird vorzugsweise in geringstem möglichen Abstand nach dem Messvolumen vorgenommen.

Vorzugsweise lässt sich das Verfahren sowie das ISAR auch zur Beurteilung der

Fertigungsqualität von Bauteilen in Massenfertigung verwenden, wenn dieser

Produktionsprozess eine ähnliche Transportstruktur wie das Schüttgutwesen aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder

funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisierten Aufbau des vorgeschlagenen ISAR in einer

Ausführungsvariante zur Erfassung von Verunreinigungen im Zucker.

Bei der Produktion von hochwertigem Kristallzucker, wie er für den Verzehr bereitgestellt wird, kommt es vor, dass trotz aufwändiger Kontrollmaßnahmen restliche

Verunreinigungen in Form kleinster Partikel beigemengt sind. Diese Partikel haben eine Größe von typischerweise wenige Millimeter bis unter 1 mm und bestehen meist aus Metall- (Eisen) bzw. Eisenoxidteilchen (Rost) sowie Glas-, Kunststoff- oder

Dichtungspartikeln, welche sich bei der Zuckerproduktion von den Fertigungsanlagen ablösen können. Auch Kleintiere wie Wespen oder Hummel lassen sich auffinden, die über kleinste Ritzen in den Gebäuden bzw. Türen oder Schleusen unvermeidbar Zugang zu den Herstellungsprozessen haben. Über mechanische Aussiebverfahren sowie den Einsatz von Permanentmagneten lassen sich zwar magnetische, aber bei Weitem nicht alle Verunreinigungen dieser Art beseitigen. Es besteht daher Interesse, den

Reinheitsgrad des Zuckers deutlich zu erhöhen und damit die Qualität des

Zuckerproduktes weiter zu steigern. Dabei soll nach Möglichkeit kein aufwändiger Eingriff in den bestehenden Herstellungsprozess notwendig sein, um die Herstellungskosten nicht unakzeptabel zu erhöhen.

Mit Hilfe des vorgeschlagenen ISAR lassen sich viele dieser Objekte im Zucker detektieren. Mikrowellen sind ferner in der Lage viele dielektrische (nichtmetallische) Materialien zu durchdringen, so dass auch die Detektion optisch verborgener Objekte möglich ist. Durch besondere Abbildungs- bzw. Radarmessverfahren kann ferner neben einer sehr hohen räumlichen Auflösung insbesondere eine hervorragende Empfindlichkeit erreicht werden, so dass bei entsprechender Wellenlänge bzw. Frequenz der

verwendeten Strahlung auch kleinste Objekte detektierbar sind. Im vorliegenden Fall erscheinen Millimeterwellen am ehesten als zielführend, da ihre kleine Wellenlänge

(wenige Millimeter bis 1 mm) in der Größenordnung der zu detektierenden Partikel liegt und somit entsprechend wahrnehmbare Radarechos zu erwarten sind.

Eine wichtige Größe bei Mikrowellenmessungen ist die komplexe Permittivität oder auch Dielektrizitätszahl der bei der Messung einer Szenerie auftretenden Materialien.

Permittivitätswerte können entweder bedingt aus der Literatur entnommen oder durch eigene Messungen bestimmt werden. Aus durchgeführten Messungen der Erfinder ist klar ersichtlich, dass sich potenzielle„Schmutzmaterialien" deutlich in der Permittivität von Kristallzucker unterscheiden, was eine erfolgreiche Detektion unterstützt.

Darauf basierende Modellrechnungen zeigen, dass die durch eine 30 cm dicke

Zuckerschicht transmittierte Strahlungsleistung ca. 80 % der ursprünglichen auf die Schicht auftreffenden Leistung beträgt. Daher ist die Detektion eines Schmutzpartikels auch durch eine Zuckerschicht hindurch noch ausreichend möglich.

Bei dem vorgeschlagenen ISAR bedient man sich der Möglichkeit von Materiekörpern, die auf sie treffende Mikrowellenstrahlung mindestens zum Teil wieder zum Radar hin zurück zu reflektieren. Neben den Reflexions- bzw. Streueigenschaften eines Objekts hängt der Erfolg einer brauchbaren Radarmessung aber noch von vielen anderen Faktoren wie der Szenenbeschaffenheit, der Beobachtungsgeometrie, dem genauen Messverfahren und der Sensorik selbst ab.

Fig. 1 zeigt einen schematisierten Aufbau des vorgeschlagenen ISAR in einer

Ausführungsvariante zur Erfassung von Verunreinigungen 101 in Zucker 102. Die abgebildeten Winkel sind zur Verdeutlichung und übersichtlicheren Darstellung angepasst und entsprechen nicht der Realität. Die Darstellung zeigt eine Seitenansicht, bei der das Schüttgut (Zucker) auf einem Förderband 109 durch das Messvolumen VOI transportiert wird. Das Förderband 109 erstreckt sich senkrecht zur Bildebene.

Das ISAR umfasst einen Radarsender 103 zum Aussenden von Radarsignalen auf das Messvolumen VOI, einen ersten Radarempfänger 104, einen zweiten Radarempfänger 105 und einen dritten Radarempfänger 108 zum Empfang der in dem Messvolumen VOI gestreuten Radarsignale. Der Radarsender 103, der erste 104, der zweite 105 und der dritte 108 Radarempfänger sind dabei derart um das interessierende Messvolumen VOI angeordnet, dass der erste Radarempfänger 104 einen rückwärts gestreuten Anteil der Radarsignale aus dem Messvolumen VOI mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 0° ± 10 ° der zweite Radarsempfänger 105 einen senkrecht gestreuten Anteil der

Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 90 ° ± 10 ° und der dritte Radarempfänger 108 einen vorwärts gestreuten Anteil der Radarsignale mit einem Streuwinkel in einem Bereich von 180 ° ± 10 ° aus dem Messvolumen VOI empfängt. Zur Steuerung des Radarsenders 103 und der Radarempfänger 104, 105, 108 ist eine Steuereinheit 106 vorhanden. Diese Steuereinheit 106 ist weiterhin mit einer

Auswerteeinheit 107 zur Ermittlung eines Vorhandeneins einer Verunreinigung im Zucker 102 auf Basis einer Auswertung der von den Radarempfängern 104, 105,108

empfangenen gestreuten Radarsignale verbunden. Wird im Messvolumen VOI eine Verschmutzung bzw. ein Fremdkörper detektiert, wird von der Auswerteeinheit ein Steuersignal erzeugt und an einen Mechanismus 1 10 gesandt, der dafür sorgt, dass der Teil des Zuckers, der die Verschmutzung enthält ausgesondert wird. Dieser Mechanismus 1 10 kann eine Klappe, ein mechanischer Schieber oder ein Gebläse bzw. auch eine Saugvorrichtung etc. sein.

Das ISAR ist dabei aber nicht auf ein Förderband 109 festgelegt, sondern der Zucker 102 kann auch an der Sensorik 103, 104, 105, 108 vorbei z.B. in einem Rohr gerieselt oder gepumpt werden. Lediglich die Relativbewegung zwischen Sensorik und Schüttgut ist notwendig. Weiterhin darf keine metallische Abschirmung zwischen Sensor und Schüttgut vorhanden sein. Diese Umstände sind aber bei der industriellen Fertigung von

schüttgutartigen Produkten meist erfüllt.

Das ISAR besteht in einer Erweiterung aus einem kohärenten Radar mit mehreren Radarsendern 103 und mehreren Radarempfängern 104, 105, 108 etc., so dass jede Sender-Empfänger-Kombination eine hinreichend genaue Amplituden- und

Phasenmessung in Bezug auf ein Referenzsignal zulässt.

Radarsender und Radarempfänger des ISAR können in einer Ausgestaltung über eine gemeinsame Antenne betrieben werden, was dem exakt monostatischen Betriebsfall entspricht. Vorzugsweise werden sie aber über getrennte Antennen betrieben, was den technischen Vorteil einer besseren Entkopplung bzw. minimalen Übersprechens einbringt, aber insbesondere auch den bistatischen Betriebsfall zulässt. Der bistatische Winkel Ψ kann nun auf vielfältige Arten und in vielfältigen Größen eingestellt bzw. verwendet werden. Zum einen ist er in horizontaler Richtung als Unterschied der Blickwinkel Φ realisierbar, zum anderen und auch gleichzeitig über den Unterschied der Blickwinkel Θ in vertikaler Richtung. Vorzugsweise sind ein quasi-monostatischer Fall mit z.B. Ψ = 0 °, ein bistatischer Fall mit Ψ = 180 ° und ein bistatischer Fall mit Ψ um 90 ° zu verwenden. Im ersten Fall handelt es sich um RückStreuung der gesendeten Signale, welche die klassische Situation der meisten Radaranwendungen darstellt und für viele Objektarten zu hohen Signalstärken der Radarechos führt (z.B. Objekte mit Ecken oder dipolförmige Objekte). Der zweite Fall ist die sogenannte Vorwärtsstreuung, welche häufig bei glatten und voluminösen Objekten signifikante Radarsignale verursacht. Im dritten Fall handelt es sich um einen bistatischen Winkelbereich, bei dem starke Resonanzeffekte in einem Frequenzband als Funktion der Frequenz zu beobachten sind, was auch experimentell bestätigt werden konnte. Bei allen anderen bistatischen Winkeleinstellungen sind natürlich ebenfalls Signale messbar, die aber in vielen Fällen im Mittel betrachtet ein weniger starkes Radarsignal verursachen.

Beim zweidimensionalen ISAR wird die Richtung quer zur Relativbewegung zwischen Radar und Szene als Entfernungsrichtung bezeichnet (z.B. y-Richtung in Fig. 1 ). Die Richtung der Relativbewegung wird üblicherweise Azimutrichtung genannt (z.B. x-Richtung in Fig. 1 ). Die Abbildung erfolgt dadurch, dass für jedes Inkrement der

Relativbewegung δχ ein sogenanntes Entfernungsprofil für die Querrichtung y

aufgenommen wird. Aufgrund der bekannten geometrischen Verhältnisse der

Relativbewegung kann jedem Ortspunkt der abzubildenden Szenerie ein Amplituden- und Phasenverlauf vorhergesagt werden. Wird dieser nun mit dem kohärent gemessenen Signalverlauf aller N Abtastpunkte i x δχ, i = 0...N-1 korreliert, so entsteht ein fokussiertes Bild der Intensität des Streuverhaltens der Szene, was auch allgemein als räumliche Verteilung des Radarstreuquerschnitts (RCS - Radar Cross Section) angesehen werden kann. Die mathematische Signalverarbeitung dazu wird auch mit SAR-Prozessierung bezeichnet und in einem SAR-Prozessor vollzogen (meist per Software in einem

Digitalrechner, aber auch analog über z.B. optische Verfahren möglich).

Die räumliche Auflösung in Entfernungsrichtung wird über die Signalbandbreite B erreicht und beträgt etwa Ar ~ c/2B, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Medium (bei Luft gilt c = c0 ~ 3x108m/s) ist. Die finale Auflösung Ay in y-Richtung ist schließlich über die Projektion der Schrägsicht auf die x-y-Ebene gegeben. Die Szenengröße in y-Richtung wird über die Breite der Antennenkeulen ΔΘ und den durch das Abtastintervall 6f des genutzten Frequenzspektrums (innerhalb von B) bestimmten Eindeutigkeitsbereich

der Abbildung bestimmt. In Azimutrichtung wird die räumliche Auflösung Δχ durch den Azimutwinkelbereich der Beobachtung ΔΦ mit Δχ ~ 0/2sin(Ai>) bestimmt, innerhalb dem jeder Szenenort während der Relativbewegung gesehen wird. λ0 ist dabei die mittlere Wellenlänge bei der Mittenfrequenz f0 der Beobachtung. Die Szenengröße in

Azimutrichtung wird hierbei ebenfalls durch die Breite der Antennenkeule ΔΦ sowie den Eindeutigkeitsbereich, gegeben durch das Abtastintervall δχ, bestimmt.

Vorzugsweise wird nun ein Detektionsvorgang mit dem in Fig .1 dargestellten einen Radarsender 103 und dem drei Empfangszweigen der Radarsender 104, 105, 108 vollzogen. Dies hat den Vorteil, dass mehr oder weniger jedes Objekt ein detektierbares Streusignal in mindestens einer der Sender-Empfänger-Kombinationen liefert, sofern es sich dielektrisch hinreichend vom eigentlichen Schüttgut (vorliegend Zucker)

unterscheidet. Natürlich können auch weitere Sender bzw. Empfangs-Zweige

implementiert werden, was die Detektionswahrscheinlichkeit weiter erhöht. Die

Verwendung von mehreren Sender-Empfänger-Kombinationen erlaubt ferner eine verbesserte Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten, da solche Geisterziele in jedem Bild jeder Sender-Empfänger-Kombination an einem anderen Ort erscheinen, während sich echte Ziele am identischen Ort eines gemeinsamen Koordinatensystems befinden.

Die Orientierungen der Sender- und Empfänger-Antennen sind vorzugsweise so gestaltet, dass ihre auf das Messvolumen VOI projizierten Richtdiagramme möglichst eine größte gemeinsame Schnittmenge bilden, die damit auch in etwa den gemeinsamen Abbildungsbereich (d.h. auch die Bildgröße) festlegt. Dabei sind vorzugsweise für die bevorzugten bistatischen Winkel Ψ die Hauptkeulenbreiten der Richtdiagramme in Azimutrichtung ΔΦ in etwa gleich groß zu wählen. In Elevationsrichtung sind die

Keulenbreiten ΔΘ je nach Position und Blickrichtung der Antenne in Bezug auf das Transportband so zu wählen, dass sie möglichst nur den interessierenden Bereich ausleuchten, damit eine maximale Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten und ein maximales Signal-zu-Rauschverhältnis gewährleistet werden (optimaler Antennengewinn bei vorgegebener Szenengröße).

Die Abstände bzw. Positionen der Sender- und Empfänger-Antennen sind so zu wählen, dass vorzugsweise die gesamte Breite des Förderbandes 109 mit der jeweiligen Sender-Empfänger-Kombination erfasst werden kann. Ferner ist vorzugsweise ein solcher

Abstand zum Förderband 109 einzuhalten, dass auch noch der Nahbereich des

Messbereichs VOI hinreichend im Fernfeld der Sender- und Empfänger-Antennen liegt.

Werden mehrere Radar-Sender 103 verwendet, so sind diese vorzugsweise mit orthogonalen Signalen zu betreiben, damit bei simultanem Betrieb eine Trennung der gestreuten Radarsignale aller Sender-Zweige in jedem einzelnen Empfänger-Zweig möglich ist. Dieser Betrieb liefert dann bei N Sendern und M Empfängern die Anzahl von N x M unabhängiger Radarbilder (Sender-Empfänger-Kombinationen), welche vorzugsweise zur Unterdrückung von Geisterechos (Falschziele durch Mehrdeutigkeiten) als auch der Homogenisierung von örtlich variablen Hintergrundechos der Szene dienen. Damit ist eine verbesserte Ziel-zu-Hintergrund-Separation möglich.

Werden alle Empfänger-Kanäle einzeln in ihrer vollen Bandbreite B im Zeitbereich mit mindestens der Nyquist-Frequenz abgetastet (fNyq > 2B) und die Werte gespeichert, so kann empfangsseitig durch geeignete Signalverarbeitung variabel eine digitale

Strahlformung des Gesamtrichtdiagramms aller Einzeldiagramme oder auch nur Teilen davon synthetisiert werden (DBF -„Digital Beam Forming").

Wird mit zueinander kohärenten Sendesignalen für alle Sender-Zweige gearbeitet, so kann ferner eine Strahlformung auch senderseitig vorgenommen werden. Das vorzugsweise einzusetzende empfangsseitige DBF hat den großen Nutzen, dass die maximal mögliche Information, die von einer bestimmten Antennengruppe aufgenommen werden kann, vorliegt und damit simultan in einem Digitalrechner verschiedene

Gesamtrichtdiagramme erzeugt werden können. Somit ist neben der breiten Beleuchtung der gesamten Szene z.B. auch gleichzeitig die adaptive Beleuchtung von Teilbereichen mit höherem Signal-zu-Rausch-Verhältnis möglich. Ferner ist auch hierdurch eine Ausblendung unerwünschter Störechos möglich.

Die Nutzung mehrerer räumlich geeignet separierter Sender-Empfänger-Kombinationen erlaubt ferner die Erstellung dreidimensionaler (3D) Verteilungen des Streuquerschnitts eines gesamten Volumens. Vorteilhaft ist dabei die örtlich korrekte Zuweisung einer Streuzelle (Raumbereich der Auflösungszelle) in ein dreidimensionales

Koordinatensystem, um z.B. den Fremdkörper genau lokalisieren und dann gezielt entfernen zu können. Vorzugsweise sind hierzu in Fig. 1 eine geeignete Anzahl von Empfänger-Antennen entlang der z- und auch teilweise der y-Richtung anzuordnen, um einen hinreichend großen Eindeutigkeitsbereich in z-Richtung zu erzielen.

Bei baulich bedingten kurzen Abständen von Sender- und Empfänger-Antennen zum zu untersuchenden Messbereich VOI sind vorzugsweise mit der Bandbreite B modulierte Dauerstrichsignale (CW - Continuous Wave) um die Mittenfrequenz f0 zu wählen. Die Modulation kann dabei z.B. eine lineare Frequenzrampe (FMCW - Frequency-Modulated CW) über der Zeit oder aber auch Rauschen oder Kodierung (z.B. Phasenumtastung) sein, wenn z.B. mehrere orthogonale Signale benötigt werden. Bei zulässigen größeren Entfernungen kann vorzugsweise auch Pulsbetrieb in z.B. Kombination mit einer

Frequenzmodulation (Chirp-Signal) oder Rauschen bzw. Kodierung verwendet werden, um zusätzlich störende Echos aus der Szenenumgebung besser ausblenden zu können.

Aus den Radarmesswerten einer synthetischen Aperturlänge werden vorzugsweise zwei-oder dreidimensionale Radarbilder der Streuintensitätsverteilung mit einem SAR-Prozessor erstellt. Der SAR-Prozessor ist ein mathematischer

Bildrekonstruktionsalgorithmus, der aus den von den Radarempfängern 104, 105, 108 empfangenen Radarrohdaten (Sequenz von Entfernungsprofilen) ein Radarbild generiert.

Vorzugsweise ist für die angestrebte Beobachtungsgeometrie ein

Rückprojektionsverfahren zu verwenden, wobei jedoch auch noch andere bekannte Methoden existieren. Die einzelnen Radarbilder jeder Sender-Empfänger-Kombination werden dabei mit geeigneten bekannten Bildverarbeitungsmethoden

(Rauschunterdrückung, Nebenkeulenunterdrückung, Glättungsfilter,

Kontrastanreicherung) entweder schon im SAR-Prozessor oder in Folgeschritten nach der grundlegenden Radarbildgenerierung bearbeitet. Im Falle von DBF-Anwendung werden die Signale der beteiligten Sender-Empfänger-Kombinationen kohärent und gemeinsam zu einem Bildprodukt verarbeitet.

Aus dem Bildprodukt bzw. den Bildprodukten wird vorzugsweise mit Segmentierungs- und Schwellwertverfahren die Fremdkörperdetektion vorgenommen. Dies kann mit

Einzelbildauswertung als auch durch Auswertung fusionierter gleichzeitig aufgenommener Bilder erfolgen, wobei letztere Methodik eine größere Robustheit in Bezug auf

Falschziele, d.h. Fehldetektionen, bietet. Auch die Auswertung von ganzen zeitlichen Bildsequenzen ist vorteilhaft, da damit dynamische und geometrische Veränderungen in der Bildfolge die Objektdetektion unterstützen.

Wenn eine Detektion mit einer Ausführung der zuvor beschriebenen Radarmethoden bzw. Kombinationen davon und durch eine entsprechende Bildauswertung erfolgt ist, so kann vorzugsweise folgendermaßen verfahren werden, um den Fremdkörper zu entfernen.

Bei der Detektion ist der Ort x0, y0 und ggf. auch z0 (bei 3D-Abbildungen) des

Fremdkörpers im Radarbild bzw. den Radarbildern hinreichend genau zum Zeitpunkt t0 bekannt. Da die Transportgeschwindigkeit v des Schüttguts als konstant und bekannt vorausgesetzt ist, ergibt sich ein neuer Ort x ~ x0 + v At, ~ y0 und z ~ z0 des

Fremdkörpers nach der Zeit At = - 10. An dieser Stelle kann somit eine Vorrichtung angebracht sein, die den Fremdkörper vom Transportmedium weg entfernt. Das

Entfernen ist z.B. durch ein hinreichend schnelles mechanisches Aussondern quer zur Bewegungsrichtung möglich (z.B. mechanischer Schieber oder Stößel, Druckluftdüse, Saugvorrichtung, etc.), womit auch geringe Mengen des Schüttguts um den Fremdkörper herum mit entfernt werden. In schwierigeren Fällen des mechanischen Aussonderns (z.B. wegen Schüttgutgröße oder Gewicht) kann am Ort Xi dann auch automatisiert eine z.B. farbliche Kennzeichnung erfolgen, mit Hilfe derer an späterer geeigneter Stelle eine manuelle oder auch maschinelle Entnahme des Fremdkörpers möglich ist.

Das vorgestellte ISAR hat den Vorteil, dass es vorzugsweise in einen bestehenden Fertigungsprozess ohne besondere und aufwendige Umbaumaßnahmen integrierbar ist. Lediglich eine hinreichend zugängliche Stelle im Transportsystem des Schüttguts, die keine metallische Abschirmung hat, ist erforderlich. Da die Sensorik relativ nah an dem Messvolumen angeordnet werden kann, ist insgesamt eine kompakte Bauweise möglich, die umso kleiner ausfällt, je höher der Betriebsfrequenzbereich des Radars gewählt werden kann. Bei vielen Produktionsstätten mit recht ähnlichen Transportstrukturen für Schüttgüter und bei großen Stückzahlen benötigter Prüfstellen vom Typ des vorgestellten Detektionsverfahrens bietet sich vorzugsweise auch an, eine Adapterplattform mit definierter Ein- und Ausgangsschnittstelle des Fördermechanismus zu entwerfen, in welche dann genau definiert und optimiert das Sensorsystem verbaut werden kann.

Damit ist in jedem Produktionsprozess mit transportierten Schüttgütern nur an geeigneten Stellen ebenfalls die identische Schnittstelle zu schaffen und es können hiermit absolut identische und qualitativ gleichwertige Prüfmaßstäbe der Schüttgutqualität allerorts angelegt werden.

Das vorgestellte ISAR ist in ähnlicher Ausprägung auch zur Detektion von Fehlerstellen bei der Massenproduktion von Bauteilen in einer Fließbandstruktur geeignet. Dabei sollte vorzugsweise sichergestellt sein, dass sich jedes Bauteil immer in der nahezu exakt gleichen Pose in Bezug auf den Sensor befindet, wenn es die synthetische Apertur durchfährt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele

eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der

Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden

Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.

Bezugszeichenliste

101 Verunreinigung/en

102 Material / Schüttgut

103 Radarsender / Sender

104 Radarempfänger / Empfänger

105 Radarempfänger / Empfänger

106 Steuereinheit

07 Auswerteeinheit

108 Radarempfänger / Empfänger

109 Förderband

1 10 Mechanismus zum Aussondern