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專利名稱：多維成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過使用干涉電磁輻射確定反射點在空間中位置的方案。更具體而言，本發(fā)明涉及使用雷達天線陣列獲得物體和表面的三維圖像數(shù)據(jù)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在不同的應(yīng)用中，需要獲得特定元素在空間中的位置的度量。在本文中，位置可能是一維、二維或三維的相對位置。這可能涉及相對于一個參考位置定位離散元素，或者獲得一個表面或整個實體的圖像表示。
一種定位的方法是使用雷達、無線電探測和距離搜索。術(shù)語雷達被認為是一種方法，其通過使用短的電磁波探測物體，特別是遠距離物體，并且確定它們的位置和動作。雷達包括具有天線的發(fā)射機、一個反射目標、一個具有天線的接收機，所述天線可能與發(fā)射機天線相同、以及一個在該天線和目標之間的傳輸通道。雷達系統(tǒng)最初是為軍事目的而開發(fā)的，但是現(xiàn)在也用于許多民用和工業(yè)應(yīng)用中。在雷達的一般概念中，有許多具有不同特征的不同的方法和裝置，并且雷達應(yīng)用通常工作在1～100GHz的微波范圍內(nèi)。當其用于定位時，使用的不同的雷達技術(shù)包括脈沖雷達、FMCW雷達和干涉雷達。脈沖雷達發(fā)射短周期電磁脈沖，其可能為載波調(diào)制或者未調(diào)制的。到目標的距離從發(fā)送到接收之間的傳送時間中計算出來。在FMCW，調(diào)頻連續(xù)波雷達中，信號是連續(xù)提供的，而其頻率是被調(diào)制的，通常為連續(xù)的線性斜坡。這意味著通過計算當前發(fā)射波和同時的接收波之間的頻差，可以獲得一個KHz級數(shù)上的低頻差，所述波在頻率斜坡上在不同的時間點被發(fā)射。該信號的頻率與目標的距離是成比例的。干涉雷達通過在一個特定時間周期內(nèi)發(fā)射固定頻率的信號，并比較該發(fā)射信號與其在目標處被反射后接收的信號而工作。通過在一個干涉儀內(nèi)合成該發(fā)送信號和接收信號以獲得一個混合信號，可由此推導出信號間的相對相位。可獲得的精確性相對較高，但其結(jié)果是隨著該信號半波長周期性變化的。
現(xiàn)有技術(shù)基于上述技術(shù)的基本原理，許多不同的用于測量到目標距離的方案已被提出。當測量到一個物體的距離時，一種有向天線被典型地用于發(fā)射和接收，如角形天線或者拋物線天線。這些裝置被廣泛的用于不同的工業(yè)應(yīng)用中，如對液體介質(zhì)的無接觸測量，特別是測量一維距離。出于許多目的，一維距離的測量并不足夠。
一個用于雷達表面檢測的已知解決方案是合成孔徑雷達SAR，其使用一個運動的平臺來模擬一根長天線。該平臺可能是飛行器或者人造衛(wèi)星。從船上雷達上發(fā)射一個脈沖并在該平臺在目標區(qū)域上飛行中接收反射信號。因此，相同的接收機被用于接收飛行路徑上不同位置的信號。這樣，一根與脈沖長度上的飛行路徑長度相同的長天線可被合成。SAR主要用于地球資源監(jiān)控和繪圖或者軍事應(yīng)用。2001年7月，IEEETransactions on Image Processing，第10卷，第7號，Xiaojian Xu等人的“Three-Dimensional Interferometric ISAR Imaging for ScatteringDiagnosis and Modelling”中公開了一種由二維逆SAR(ISAR)成像轉(zhuǎn)換到三維的方法。這篇文獻中提出，通過綜合兩個在不同高度上的天線執(zhí)行的測量的二維圖像，可克服二維ISAR圖像不能提供目標上每個分散中心的相對高度的信息的缺點。
另一個用于二維成像的已知方法是相控陣列雷達，其使用多個天線，通常是小的無線電角形元件或者片狀元件，以合成一個大的天線。這些天線元件通過嵌入式系統(tǒng)計算機定相以形成一個光束尺寸為陣列直徑的單光束。通過引入基于元件的相位偏移量來在空中定位該光束。以高角分辨率，通過光束發(fā)射一個脈沖并從同一個光束中接收脈沖。因此可容易地改變空中的雷達點，并且可通過小光束有效地掃描天空以避免被探測。相控陣列雷達通過小光束掃描來工作，其典型為軍事應(yīng)用而開發(fā)以獲得一個小角度光束并能追蹤目標而不需使用運動部件。
然而，另一個用于二維成像的解決方法在2003年9月22日的AppliedPhysics Letters第83卷，第12號中John F.Federici等人的“TerahertzImaging Using an Interferometric Array”中提出。在該文獻中，提出使用單個的檢波器陣列組成一個成像干涉儀，其中每個檢波器測量輸入的THz輻射的振幅和相位。通過這些的單個檢波器的所有不同的對組合的空間傅立葉分量產(chǎn)生圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個總的目標是提供一種方法和系統(tǒng)，其發(fā)射電磁信號并通過檢測那些位置的反射點反射回來的信號，確定空間中的位置。更具體而言，本發(fā)明的目的是能夠在三維中確定反射點的位置。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，該目標可根據(jù)附隨的權(quán)利要求通過一種方法，以及一種裝置和一種被設(shè)計以執(zhí)行該方法的天線單元來實現(xiàn)。更具體而言，本發(fā)明提供一種用于為反射點確定位置并基于該定位的反射點產(chǎn)生表面和體積的三維表示的方法。優(yōu)選的，本發(fā)明使用一種具有廣角發(fā)射光束和接收機視場角的天線設(shè)計，這樣一個完整的表面區(qū)域或者物體便可被同時暴露和定位。各種優(yōu)選的實施例和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃诟诫S的權(quán)利要求中介紹。


本發(fā)明優(yōu)選的實施例將參照附圖詳細描述，其中圖1示意性地說明了根據(jù)用于確定位置的本發(fā)明的一個實施例的用于確定一個或多個反射點位置的一種裝置的系統(tǒng)設(shè)置；圖2示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線單元的一個實施例；圖3示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使用天線在極坐標中對一個偏離中心的目標位置的定位；圖4根據(jù)圖3示意性地說明了通過該天線在平面投影中對偏離中心的目標的定位；圖5示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對三維平面上的多個反射點的定位；圖6示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的從檢測的反射點形成的表面表示；圖7示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對三維物體上兩個深度反射點的定位；圖8示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的通過天線對使用笛卡爾坐標的表面位置的確定；圖9～10示意性地說明了一種確定一個或多個反射點的位置的裝置以用于貨物容器的應(yīng)用；圖11示意性地說明了一種確定一個或多個反射點的位置的裝置以用于探地雷達系統(tǒng)的應(yīng)用；圖12示意性地說明了一種確定一個或多個反射點的位置的裝置以用于與工業(yè)機器人一同使用的應(yīng)用；圖13示意性地說明了一種確定一個或多個反射點的位置的裝置以用于定位和引導車輛的應(yīng)用；以及圖14～15示意性地說明了一種確定一個或多個反射點的位置的裝置以用于為監(jiān)測熔爐中爐渣表面的應(yīng)用。
圖16示意性地說明了一種使用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀的典型的實驗配置。
實施例說明本發(fā)明涉及一種新的方法和裝置或者系統(tǒng)，其通過發(fā)射電磁信號并檢測在那些位置上反射點反射的信號來在空間中確定位置。
在圖1中說明了在本發(fā)明實施例中使用的裝置的示意圖。信號發(fā)生器1產(chǎn)生確定頻率的信號。該信號通過電纜傳送到功率分配器2，在功率分配器2上一個分支通過電纜傳送到發(fā)射機天線3上，第二個分支通過電纜傳送到被用作參考信號的相位比較單元5。該發(fā)射機天線3，即，發(fā)射機被設(shè)計用于例如以圓偏振無線電波的形式，向一個或多個反射點(沒有在圖1中示出)發(fā)射由信號發(fā)生器1產(chǎn)生的電磁信號。當發(fā)射信號擊中一個或多個目標反射點，它至少被部分地反射，該反射信號由帶有放大器的接收機天線4，即接收機接收。對于圓偏振波，由于奇數(shù)個反射，以反向圓偏振接收反射信號。該接收到的信號通過一個電纜發(fā)送到相位比較器5，并在那里與時間參考信號的共軛進行復式乘法。該復共軛乘法的相位和可能的幅度一同通過計算機6存儲在一個表中，并且信號發(fā)生器頻率步進地產(chǎn)生信號并采取一種新的測量方法。該過程一直繼續(xù)直到頻帶上特定數(shù)量的頻率通道被單獨的測量。該裝置通過一個包括計算機如計算機6的控制單元控制，其也存儲數(shù)據(jù)和執(zhí)行信號分析。
圖2示意性地說明了也稱為干涉儀的天線單元30的一個實施例。根據(jù)本發(fā)明，天線單元30包括一個對應(yīng)于圖1中的天線3的發(fā)射機天線31，以及對應(yīng)于圖1中的天線4的多個接收機天線或者檢測器32。該發(fā)射機天線31可與接收機天線32相分離，但是優(yōu)選的，接收機天線32中的一個也作為發(fā)射機天線31工作。圖2說明了帶有20個天線元件的實施例，這20個天線元件被設(shè)計作為20個接收機天線32，其中一個也被設(shè)計作為發(fā)射機天線31。這只是一個可能的數(shù)量的不限制數(shù)量天線元件的一種。已經(jīng)成功地進行了對32個天線元件的測試。這些天線元件優(yōu)選地由支撐部件33支撐，在其上它們被恰當?shù)剡B接，以至于它們至少在一維空間上隔離開來，并且優(yōu)選地在圖2所示的平面中隔離開來。該平面的法線方向，也就是如圖2所示的較低平面的平面，為天線單元30確定了一個主視線。該天線可能是用其上導電材料片被蝕刻的介電材料制成的平板膜。該導電片單獨形成以構(gòu)成用于合適的波長的天線元件。用于天線的光束在微波區(qū)域中被衍射限制，其具有約為λ/d的半功率波瓣寬度(half power beamwidth)，其中λ為微波波長，d為天線的物理直徑。選擇該天線元件的尺寸以使得每個單獨的天線光束覆蓋將要測量的整個體積，例如120度。
天線元件31、32被構(gòu)造來獲得一個大的束寬模式或者視場角以使得每個天線元件照亮目標的大的表面區(qū)域或者檢測來自目標的大的表面區(qū)域的輻射。這樣，天線單元30被設(shè)計用于同時地在一個固定頻率的干涉電磁波下暴露一個要定位的整個區(qū)域或者物體，并接收來自該整個區(qū)域或者物體的反射信號。
圖3示意性地說明了一個天線單元30如何確定一個坐標系統(tǒng)，其中反射點P的位置在極坐標系統(tǒng)中確定，其中P具有一個與天線單元30選擇的中心相關(guān)的坐標P(r，，θ)。該主視線由z表示，其為天線單元的天線元件31和32放置的平面的法線方向。
圖4是示出通過天線30在圖3的三維系統(tǒng)的平面上投射的簡圖，并作為理解根據(jù)本發(fā)明的定位方法如何工作的基本實例。圖4示意性的說明了從P點反射回來的電磁波陣面E如何被天線單元30接收。在該投射中，兩個接收機天線321和322在主視線z的垂直方向上分隔間隔d。此外，在示出的投射中，從P返回的該電磁波以一個相對于主視線的角α被接收。該接收的干涉電磁波E的周期如圖中所示，通過其可很明顯的看出在接收機天線321和接收機天線322中同時檢測到的信號之間有相位差。由于發(fā)射頻率已知，因此接收波E的頻率已知并且波陣面E的波長也是已知的。通過綜合分析兩個接收機天線321和322中的檢測信號，可以計算表示所檢測到的相位差的距離Δ。使用該計算的距離Δ和已知間隔d，角度α的測量通過α＝arcsin(Δ/d)來計算。不用說，該計算的值Δ將以波E的半波長周期為周期，所以理論上多個不同的入射角可能產(chǎn)生相同的所檢測的相位差。然而，如果使用了一個波頻，如1GHz，并且間隔d在幾厘米的級別上，那么將只有一個角度可能從該等式中計算出，也就是，其中Δ/d＜1。此外，即使使用了一個較高的頻率和一個較大的間隔d，正確的角度α也將通過使用兩個以上的接收機天線以及合并來自一對以上這樣的天線的信號來鎖定。如果例如使用了三個天線，一、二和三，那么正確的角度α將與在天線對一加二、二加三、一加三上所作的角度計算相匹配。對于給定數(shù)量N個接收機天線，需要N(N-1)/2個可能的對組合。通過在天線單元30的平面中至少兩個不平行方向進行這些計算，在與天線單元30相關(guān)的二維中確定位置P。
為了測量到目標P的距離r，使用了一個頻率步進函數(shù)。一個波信號相對于另一個波信號的時延在傅立葉或者頻率空間是相對于頻率的線性相移。如果一個波被發(fā)射到一個反射點P并反射回來，該發(fā)射波和接收波的相對相位將因此隨頻率線性變化。根據(jù)本發(fā)明，該結(jié)果被用于建立對目標P的距離r的測距。如上所述，為了建立對目標的角度的測量，在檢測接收到的反射波陣面期間，為該干涉波保持一個固定的頻率。然而，通過進一步地逐步改變發(fā)射信號的頻率，并且測量每個步進中的發(fā)射波和接收波之間的相位差，其中仍保持固定頻率，作為發(fā)射波頻率的函數(shù)的相位差的圖示將是具有對應(yīng)于反射波的傳播時延Δt的斜率的直線。優(yōu)選的，該頻率在一個頻帶內(nèi)以多個步進發(fā)生改變，并且使用一個線性函數(shù)來建立傳播時延Δt的計算值，其代表了天線單元30和目標反射點P之間的光距。該頻帶被選擇以最優(yōu)的適用于表面的反射和通過材料的發(fā)射。該頻帶用于爐渣和鋼鐵應(yīng)用可能為10～12GHz，用于沙面反射為60～70GHz。頻率步進的數(shù)量取決于距離的不確定，即，由所使用的采樣進行測量的最遠距離。選擇頻率帶寬的寬度以達到最大分辨率，其對于所要求的距離的不確定和采樣為1/帶寬。如果天線單元30和目標P之間的當前介質(zhì)的折射率是已知的或者可獲得的，典型的為空氣，那么實際的物理距離r可被計算出來。
參照圖8，現(xiàn)在將詳細描述根據(jù)本發(fā)明用于在三維空間中確定位置的本發(fā)明背后的原理。圖8基本說明了與圖3相同的情況，但是是在一個俯視體積W的無線電干涉儀的天線的幾何學笛卡爾坐標系統(tǒng)中。x，y，τ代表安裝了干涉儀的天線元件的天線上的位置的笛卡爾坐標。X，Y，Z代表該體積W的笛卡爾坐標系統(tǒng)。τ＝z/c，其中c為空氣中的光速，是天線到體積W的上參考表面的線性時延，Δτ＝2Z/V，其中V為體積W中的光速，是用于體積W中深度測量的附加時延。x，y，z坐標系統(tǒng)的圓點被定義為干涉儀的相位中心，X，Y，Z坐標系統(tǒng)的圓點被定義為體積W中的參考位置。
發(fā)射機被放置于干涉儀的相位中心并直接發(fā)射一個平面波到體積W中的參考位置，以使坐標向量z和Z平行于同一個坐標軸。沿著坐標軸z的坐標系統(tǒng)之間的距離被定義為R。該被照亮的體積是具有參考位置S的W。
干涉儀的兩個接收元件被放置于干涉儀平面中的位置x1，y1和x2，y2。首先我們考慮一個在體積W的上參考平面的位置X，Y處的表面元件ds。一個頻率為vk的無線電波，其中k為頻率下標，在參考時間t從參考點被發(fā)射到X，Y。該無線電波將通過R0+R1的距離到達x1，y1的接收元件，通過R0+R2的距離到達x2，y2的接收元件。因此，該電波將被延遲τ1＝(R0+R1)/c，對于x1，y1，
τ2＝(R0+R2)/c，對于x2，y2。
在X，Y平面S中的每個元件在干涉平面上在x1，y1處產(chǎn)生一個電場E1(s，t)，在位置x2，y2處產(chǎn)生一個電場E2(s，t)。每個接收機的總電場為被照亮的體積W的平面S上的所有元件的積分e1(t)=∫sE1(s,t)ds]]>e2(t)=∫sE2(s,t)ds]]>該空間互相干函數(shù)可表示為Γ12(t)=⟨e1(t-τ1)e2*(t-τ2⟩]]>以下我們將假設(shè)來自不同區(qū)域的反射為統(tǒng)計上獨立的，也就是反射信號在空間上不相干。相干區(qū)域在體積成像上將產(chǎn)生斑點并可被分別的處理。來自于源的不同部分的反射產(chǎn)生的被積函數(shù)中的項的叉積將被刪除，并且只有來自表面元件ds的場必須被考慮。與元件ds分離一段距離的復振幅與該距離成反比例并可表示為P(t-τn)Rn]]>假設(shè)所有研究的體積具有相同的照射，我們可把來自S的X，Y處的元件ds的互相干函數(shù)表示為⟨e1(t-τ1)e2*(t-τ2)⟩m=⟨P(t)P*(t-τ2+τ1)⟩e[-j2πvk(t-τ1)]R1e[j2πvk(t-τ2)]R2]]>=⟨P(t1)P*(t--(τ2-τ1)⟩e[j2πvk(τ1-τ2)]R1R2]]>如果波到達x1，y1和x2，y2的時間差(τ2-τ1)比單個的頻率信道的帶寬的倒數(shù)(Δv)-1小，也就是在系統(tǒng)的時間積分段之內(nèi)，那么可忽略等式右邊方括號中的項，于是
⟨e1(t)e2*(t-Δτ)⟩=⟨P(t)P*(t)⟩e[j2πvk(τ1-τ2)]R1R2]]>或者在笛卡爾坐標中⟨e1(t-τ1)e2*(t-τ2)⟩=⟨P(t)P*(t)⟩e[j2πvk((R1-R2)/c)R1R2]]>參考當來自發(fā)射機的平面波撞擊到體積W的參考表面的時間點，量<P(t)P*(t)>為體積W中平面Z(＝0)上像素ds的平均時間強度(亮度)B(X，Y，Z)的度量。對體積W的整個表面的積分給出了點x1，y1和x2，y2上的場的頻道vk上的互相干函數(shù)Γ12(vk,t)=⟨e1(t-τ1)e2*(t-τ2)⟩=∫sB(X,Y,Z)e[j2πvk(R1-R2)/cR1R2ds]]>注意到(R1-R2)/c是從表面元件ds到位于x1，y1和x2，y2上的干涉儀元件的差分光傳播時間。令R表示干涉儀平面與Z＝0的體積的參考位置S之間的距離，那么距離R1和R2可表示為R12=(x1-X)2+(y1-Y)2+(R+Z)2]]>R22=(x2-X)2+(y2-Y)2+(R+Z)2]]>這可被展開為二項展開式，其中只保留前兩項R1≈R+12R[(x1-X)2+(y1-Y)2]]]>R2≈R+12R[(x2-X)2+(y2-Y)2]]]>這有效的假設(shè)了對被照亮表面區(qū)域的展開小于從干涉儀平面到體積參考點的距離R。我們可以把該傳播時間差表示為(R1-R2)/c=(x12+y12)2-(x22+y22)22Rc+(x2-x1)X+(y2-y1)YRc]]>
以下我們將把空間互相干函數(shù)分母上的乘積R1R2近似為R2。
我們現(xiàn)作以下代入uk＝(x1-x2)vk/cvk＝(y1-y2)vk/cw＝v/cnsloxg＝c/Vξ＝X/R＝sin()η＝Y(jié)/R＝sin(θ)dξdη＝ds/R2δ=x12+y12-(x22+y222R]]>該空間互相干函數(shù)現(xiàn)在可表示為Γ12(uk,vk,t)=ej2πvkδ/c∫∫B(ξ,η,Z)ej2π(ukξ+vkη)dξdη]]>這也是在位置u，v，(w＝0)以及頻道k下的可見度函數(shù)V12(uk,vk,t)=ej2πvkδ/c∫∫B(ξ,η,Z)ej2π(ukξ+vkη)dξdη]]>項2πvkδ/c是由于波陣面不是完全平坦而導致的到兩個干涉儀元件的路徑差引起的相移。如果體積是在干涉儀的遠場被測量的，那么該項由于很小可被忽略。如果體積處于干涉儀的近場，該項可通過使用球坐標而不是笛卡爾坐標被移除。
然后我們將考慮深度測量。參考時間t被定義為當波陣面離開干涉儀平面上的發(fā)射天線的時間。該發(fā)射波可被規(guī)范化并表示為Vtr(t)=e-j2πvkt]]>我們現(xiàn)在通過該互相關(guān)發(fā)射波與干涉儀12接收到的波來執(zhí)行邊緣停止(fringe stop)以獲得時間相干函數(shù)V(uk,vk,v)=(Vtr(t)V12*(t+τ))=∫∫∫B(ξ,η,Z)ej2π(ukξ+vkη-rv)dξdηdτ]]>由于附加延遲在體積W中，認為τ＝-2Z/V，wk＝vk，現(xiàn)在我們可以把三維可見度函數(shù)表示為V(uk,vk,w)=∫∫∫B(ξ,η,Z)ej2π(ukξ+vkη+2Zw)dξdηdZ]]>除了這個小的補償項，該可見度和亮度分布為傅立葉變換對，并且我們可以在u，v，w坐標系統(tǒng)中恢復體積W的三維反射分布B(ζ，η，Z)＝∫∫∫V(u，v，w)e-j2π(uζ+vη+2Zw)dudvdw為每個接收元件的每個頻率接收數(shù)據(jù)。然后每個這樣的元件信號將在每個頻道中與參考單元中的發(fā)射信號做相位比較。每個頻道中用于每個單元的該復電壓將被存儲在計算機中，分別在每個頻道中作為基線對(baseline pairs)與每個其它單元相比。對于N個接收元件，每個頻道中將有(N(N-1))/2個非多余的基線對。然后該新的數(shù)據(jù)體積被轉(zhuǎn)換到X/R，Y/R，和Z坐標上以成像該三維反射體積。如果該體積的容量為已知的，如該數(shù)據(jù)為一個固體表面，那么該體積的模型可被假設(shè)，可為每個基線對和頻率計算該模型的響應(yīng)，比較該模型的數(shù)據(jù)與已測量的數(shù)據(jù)并統(tǒng)計地調(diào)整該模型以最小化已測量的數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)之間的差異。存在大量已知的誤差最小化方法、最大熵法和最大似然法。
在一維情況下上述三維可見度函數(shù)簡化為B(Z)＝∫V(w)e-j2π2Zwdw
這就是用于在單個點上的常用深度測量的積分。在這種情況下發(fā)射機和接收機被放置在相同的單元上，并且每個頻道中發(fā)射信號只與接收信號互相關(guān)。
圖5和圖6涉及本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中所描述的定位系統(tǒng)和方法是用于一個完整的拓撲表面成像的，使用參照圖8描述的方法。圖5示意性的說明了一個放置于地面52上的堆狀物體51。天線單元30放置于物體51上方并朝向該物體51。參照以上描述的過程，向物體發(fā)射一個干涉電磁波信號，根據(jù)天線單元30的接收機檢測到的反射信號通過分析和計算可以檢測和定位多個反射點53。對于每個定位的反射點53，其坐標被存儲在與計算機系統(tǒng)相連的存儲器中，例如，計算機5。圖6示意性的說明了如何在一個定位坐標上執(zhí)行圖像處理軟件以建立相鄰坐標之間的連接并生成表面61，所述表面為被檢測到的反射點53的位置的三維表示。有許多用于從離散點構(gòu)造一個表面的已知模型，對使用的模型的選擇可以取決于分辨率、精確度和處理功率的要求。
該定位系統(tǒng)和方法也可以用于對已經(jīng)進行定位的視場角作更進一步的分析。為了該目的，計算機系統(tǒng)的計算單元可適用于優(yōu)選地通過積分來確定由檢測到的表面61確定的體積。在一個實施例中，體積確定可能通過對一個假想的較低表面62，即，位于檢測的反射點遠端的表面進行積分來執(zhí)行，該較低表面的位置可以例如通過一個貫穿最遠檢測位置的平面表示。可選的，背景參考平面62的存在和位置可以通過預(yù)定義而得知，或者其可在沒有反射點時被測量。典型地，該參考平面62可以是放置物體51的地面或地面高度。一旦該體積被測量到，由檢測到的反射點53確定的表面61和參考表面62確定的物體的質(zhì)量也可被估計。如果該物體的密度已知，那么這是一個簡單的計算。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，用于發(fā)射信號的電磁波的波長范圍為1～100GHz。在該區(qū)域范圍內(nèi)，許多種材料是透明的或者是半透明的。這些材料的例子包括液體，如油，和顆粒狀材料，如土壤、谷物、炭化煤，即所謂的焦炭。對于這些材料，波的傳輸將在第一表面產(chǎn)生一個反射，在第二表面產(chǎn)生第二次反射。在圖7中示意性的說明了該情況的一個例子，其中將分析一個物體71。物體71對由朝向物體71的天線單元30發(fā)射的波長的輻射來說是半透明的。物體71被放置于背景表面72上或與之有一定距離的位置。為簡單起見，圖7中只示出了一個方向的測量，然而從以上應(yīng)該了解一個全向天線適用于在該天線單元的全光束角內(nèi)同時地發(fā)射干涉波，其可能為主視線75兩側(cè)120°。在本發(fā)明的定位過程中，第一反射點73被探測和定位，其表示一個位置，在其上發(fā)射波第一次以與主視線75成確定角α的方向上擊中物體71。也為簡單起見，角α只以橫過主視線的一維空間顯示。根據(jù)上述的方法定位反射點73。然而，由于物體71的表面對發(fā)射信號的輻射來說也是透明的，一部分輻射在73擊中物體后將繼續(xù)穿過物體71，如虛線所示。第一表面部分的反射率在強度上與(n1-n0)/(n0+n1)成正比，其中n0代表物體前面的介質(zhì)的折射率，典型地為空氣，n1代表物體71的折射率，其用于正被討論的波頻率。在傳播通過物體71后，一個新的反射點74將反射該輻射的一部分，同樣取決于折射率的偏移。盡管在圖中沒有示出，但是來自參考或者背景表面72的第三次反射也將被獲得。
參考圖9～15，以下將描述本發(fā)明的不同應(yīng)用。在這些實施例中，用于確定位置、表面、體積、質(zhì)量等的計算優(yōu)選地通過圖1所示的控制單元或計算機5執(zhí)行的。這樣的控制單元實際的實施例在此沒有被詳細地描述，但是這樣的控制單元的一個實施例為具有微處理器系統(tǒng)和被設(shè)計來執(zhí)行計算的程序代碼的軟件的計算機，其或多或少專用于每個實施例，但是每種情況適用哪個取決于參考圖8所介紹的原理。應(yīng)該也注意到，實際的計算不必在控制信號發(fā)生器的計算機5上執(zhí)行，可能發(fā)生在與計算機5相連的其它控制單元上。
圖9舉例說明了本發(fā)明在貨運容器90，如一艘船中的一個應(yīng)用的實施例。在外殼91中，定義了一個或多個貨物空間92。圖9舉例說明了在水93上漂浮的海船90，但是將要描述的該實施例也同樣應(yīng)用于空氣容器，如飛機和直升機。貨物空間92可能用來裝載不同種類的貨物94，特別是大體積的液體或顆粒狀的物質(zhì)。例如包括油和其它液體物質(zhì)，煤、礦石、焦炭、零碎的金屬等。與這些松散的貨物相關(guān)的一個問題是，由于船的運動或貨物拙劣的裝載，貨物可能在貨物空間內(nèi)浮動或者漂移。在一些點上，松散的貨物在實質(zhì)上偏離中心的移位可能導致船的傾斜，如圖10所示。在水93或空氣中稍微偏離最佳位置將導致燃料消耗的增加，這最終可能是危險的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可通過提供參照圖1～8提供的天線95，針對在貨物空間92中的貨物94形成使用參照圖8所描述的方法為多個反射點確定位置的裝置的一部分來克服該問題。天線95更適合放置于該貨物空間92的頂部附近，并提供天線片以使該天線有一個至少在側(cè)壁的預(yù)定高度以上的覆蓋該貨物空間的視場角。在本圖中，通過點劃線表示該視場角。天線95優(yōu)選地耦合到一個監(jiān)督系統(tǒng)，其包括到操作員的顯示器或者數(shù)據(jù)輸出端，這樣可估算該貨物上表面的當前形狀和位置。有利地，該天線可偶合到一個用于確定該貨物上表面96上多個反射點的位置的裝置上，對應(yīng)于參照圖5和圖6描述的本發(fā)明，該裝置更進一步被設(shè)計來產(chǎn)生適合于已確定的所述多個反射點的位置的表面的三維表示。由于該天線的固定是與該貨物空間相關(guān)的，該貨物背景的位置和形狀，也就是貨物空間的側(cè)壁將被很好的獲知。此外，貨物物質(zhì)94的成分至少典型地被粗略知道。關(guān)于已知的背景的信息、該表面已確定的位置和形狀信息以及物質(zhì)94的密度信息可能被用于該監(jiān)督系統(tǒng)。通過對緊靠背景的已確定的表面積分，可計算出貨物94的體積的大小和形狀，因此也可計算出該貨物空間92的重心位置97。使用密度信息，該貨物的總質(zhì)量也可被計算出，從該計算出的總質(zhì)量和重心97的位置可確定一個傾斜參數(shù)。該傾斜參數(shù)例如可能以由貨物質(zhì)量提供的傾斜力的量度的來提供，包括到船的重心的距離參數(shù)和貨物質(zhì)量的大小參數(shù)。在本發(fā)明的一個實施例中，該傾斜參數(shù)被計算出，并且當該傾斜參數(shù)超過一個預(yù)定值時，該監(jiān)督系統(tǒng)被設(shè)計來觸發(fā)一個警報或者一個信息輸出。這可能用于貨物裝載中或者用于在航行中警報該監(jiān)督系統(tǒng)的操作員，也可能用作重排該貨物的決策基礎(chǔ)。
圖11舉例說明了本發(fā)明用作地質(zhì)雷達(GPR)的一個應(yīng)用的實施例。GPR系統(tǒng)用于多種目的，用于定位地表下的物體。不同領(lǐng)域的應(yīng)用包括用于管道、儲水池和油桶、地質(zhì)學研究、墓穴搜尋和考古學研究的定位。代表性地，一個較低的雷達頻率比一個較高的頻率更能穿透更深的地面。在一個給定的區(qū)域內(nèi)進行GPR研究的一種標準過程是使用一個裝在雪橇上的雷達，其具有基本的一維光束，并可在整個區(qū)域中來回拖動雪橇。然后為產(chǎn)生一個表面下的圖像，合成在該過程中被捕獲的雷達響應(yīng)和該雷達雪橇運行的路徑信息。該先有技術(shù)具有一些缺點，其中它非常笨重、耗時并且不適用于不平坦的表面。此外，為了獲得正確的成像，必須仔細地控制該雪橇的路徑。
根據(jù)圖11的實施例，通過使用參照圖1～8所介紹的天線111，根據(jù)圖8所描述的方法形成為多個反射點確定位置的裝置的一部分，提供了克服上述缺點的GPR系統(tǒng)。該天線在起重裝置112，如一個起重機或一個履帶車上放置在支撐結(jié)構(gòu)113的抬高位置。因此天線111的位置直接與放置天線的支撐結(jié)構(gòu)113的位置相連接，該支撐結(jié)構(gòu)113通過傳統(tǒng)的三角技術(shù)或者通過由履帶車112中的GPS接收機(未示出)接收的GPS數(shù)據(jù)來定位。天線111的視場角(FOV)取決于天線111上的天線元件或者天線片的設(shè)計。目前，已生產(chǎn)出根據(jù)本發(fā)明的具有大于120°FOV的天線。理論上，如果這樣一個天線111被用于根據(jù)圖11的系統(tǒng)中，由履帶車112保持在距離地表114以上5米的高度，那么該天線將覆蓋超過230m2的表面區(qū)域。當放置到地表以上10m，理論的覆蓋面接近1000m2。實際上，有利地是如上所述傾斜該支撐結(jié)構(gòu)113以暴露該起重裝置112前面的地面。使用參照圖7以通用術(shù)語公開的過程和參照圖8在體積W中測量的細節(jié)應(yīng)用，將提供一種用于檢測地下特征115的地質(zhì)雷達系統(tǒng)和方法。該解決方案的一個優(yōu)點在于被該天線覆蓋的區(qū)域的整個圖像將同時成像，而不必移動該天線。由于每個區(qū)域只需要一個定位步驟，這導致了對測量誤差不敏感的簡單過程。
圖12舉例說明了本發(fā)明一個應(yīng)用的實施例，其作為用于工業(yè)機器人121的定位和操縱裝置。機器人121具有一個固定的底座122，一個帶有一個或多個連接臂和支點124、125、126的可動機械裝置。機器人頭部127連接在該機器人的前端部分。只提及一些公知的選擇，例如該機器人頭部127可能帶有一個把手工具、焊接工具和裝配工具。該機器人121用于在一些形式的物體上(未示出)操作，如一個裝配線上的設(shè)備，其相對于該機器人底座122來說可能是靜止的或者運動的。為了合適地工作和執(zhí)行它的任務(wù)，該機器人特別是該機器人頭部127需要合適地定位。
根據(jù)圖12的實施例，一個用于該目的的定位系統(tǒng)包括參照圖1～8所介紹的天線128，形成根據(jù)圖8所描述的方法操作的、用于為多個反射點確定位置的裝置的一部分。如所介紹的，在一個實施例中，天線128被機器人攜帶并用于暴露和定位與天線自身相關(guān)的多個反射點129。由于根據(jù)本發(fā)明的定位方法被設(shè)計以計算一個反射點的三維位置，因此該固定于該物體上的兩個反射點129理論上足夠保證對該物體在空間上的定位。天線128被固定在參照機器人頭部127的一個預(yù)先設(shè)定的位置上，由此一旦天線128和反射點129之間的相對位置被確定，后者的位置也是可以被獲取的。通過確定將要由機器人121操作的物體上的反射點129，使用天線和上面描述的用于為反射點確定位置的裝置，確定該物體的位置。然后該機器人的頭部127可以一種可控的方式接近該物體。
必須能從背景噪聲水平中識別出反射點，因此需要在該天線128的視場角中捕獲的整個圖像中發(fā)現(xiàn)該反射點。這樣做的一種方法是在該物體上被很好地確定的地方應(yīng)用雷達目標，典型地為立方角形目標，類似于船上使用的雷達目標。
在圖12的實施例中，天線128也可與該機器人分開提供，或者在機器人121的一個部分上，但不是固定在有關(guān)機器人頭部127的位置而是有關(guān)固定的底座122的位置上。天線128仍然用于暴露和定位帶有反射點129的物體。另一方面，機器人頭部127的位置，可通過機器人底座122的固定位置和該機器人操作機械裝置的相對設(shè)置來獲知。于是，一個用于該機器人的控制系統(tǒng)可利用天線128確定的該物體的位置信息來控制機器人頭部127的運動。
圖13舉例說明了當本發(fā)明用作一個車輛的定位和導航裝置時的一個實施例。在許多工業(yè)應(yīng)用中，自動卡車或者其它種類的機動運輸平臺被用于在不同的站點間移動物體，例如裝配站和儲存間。這些工業(yè)應(yīng)用的例子包括造紙業(yè)和印刷廠，在那里大卷的紙被運送到自動裝載車輛上。圖13舉例說明了一個具有由驅(qū)動和操縱裝置132控制的車輪的車輛131，其包括引擎，典型地為電動引擎。平臺133被用于裝載一個需要運送的物體134。導航車輛導的先有技術(shù)的解決方案包括信號線路的結(jié)構(gòu)，如電線，其在地面以下，以及在車輛上用于檢測該車輛相對于信號線路的位置的傳感器裝置。
根據(jù)圖13的實施例，一個也用于該目的的定位系統(tǒng)包括參照圖1～8所介紹的天線135，形成根據(jù)圖8所描述的方法操作的、用于為多個反射點136確定位置的裝置的一部分。天線135由車輛131攜帶并用于暴露和定位與天線自身相關(guān)的多個反射點136。由于該反射點是固定在預(yù)定的位置的，該定位過程也用于確定車輛131的位置。該反射點可能如參照圖12所描述的那樣來設(shè)計，并優(yōu)選地位于頂部137上或接近頂部137的位置并彼此相互間隔，選擇每兩個反射點之間的間隔以使得天線135的視場角總是覆蓋至少兩個反射點。在一個實施例中，在車輛131的整個操作范圍中，提供反射點以使得相同的反射點將總是被天線135所覆蓋。為獲得一個更大的操作范圍，可能有必要提供多個反射點，以使得該車輛被設(shè)計來在覆蓋的兩個或多個反射點的不同子集中運動。在這樣的實施例中，用于驅(qū)動和操縱該車輛的系統(tǒng)，包括用于為多個反射點確定位置的裝置，該系統(tǒng)必須被設(shè)置用于知道當前哪個子集被雷達天線135照亮。達到該目的的一種方法是在每兩個相鄰的反射點之間使用唯一的間隔。使用以上描述的方法確定該反射點的方向、距離和角度，并且兩個暴露的反射點間的距離量度也由此被計算出。比較兩個反射點間確定的距離和預(yù)先設(shè)定的間隔信息，這將唯一地識別是哪兩個反射點被暴露了。對于只有兩個暴露的反射點的簡單情況，天線135實際上只有兩個不同的位置，可能給出相同響應(yīng)的該車輛131也是這樣。克服該問題的一種方法是通過仔細的選擇間隔，以保證至少三個反射點總是被暴露。克服該問題的另一種方法是在一個用于驅(qū)動和操縱該車輛的系統(tǒng)的邏輯濾波器中簡單的排出兩個位置選項中的一個。該方法可能用于當?shù)诙€可能位置與該車輛131所需路徑不相關(guān)的情況，這時該車輛沒有理由出現(xiàn)在第二種可能的位置。
圖14舉例說明了當本發(fā)明用于檢測熔爐140中的爐渣表面141時的一個實施例。在轉(zhuǎn)爐、鋼包爐、電弧爐和其它冶金容器中，需要知道該爐渣表面141的確切位置，并可選地知道爐渣和下面液態(tài)金屬分界面143的位置。使用干涉測量法測量該爐渣表面位置的方法，可從如授予本發(fā)明的發(fā)明人的專利US5,629,706獲知。雖然，這個和其它的解決方案基本上是一維的，并且被設(shè)計在該爐渣表面141的一點上來測量爐渣表面141和金屬表面143的垂直位置。然而，與熔爐中金屬熔化區(qū)域相關(guān)的問題在于不均勻的或者不對稱的熔化。圖15中示意性地說明了這樣一種情況，其中在熔爐140中左面的爐渣表面141和金屬表面143實質(zhì)上高于右邊。這將導致在左邊的一個熱區(qū)，其可能導致熔爐壁的嚴重毀壞，并最終燒穿該熔爐壁。
根據(jù)圖14和15的實施例，使用一個定位系統(tǒng)監(jiān)測這樣一個不均勻熔料144的潛在發(fā)生性，所述系統(tǒng)包括參照圖1～8所介紹的天線145，形成根據(jù)圖8所描述的方法操作的、用于為多個反射點確定位置的裝置的一部分。參照圖8，在該實施例中體積W為由表面141、143和熔爐壁所確定的爐渣體積142。該定位系統(tǒng)將進行操作以在一個屏幕上為熔爐的操作員顯示類似于圖6的爐渣表面141的三維表示。也可設(shè)置一個用于熔爐的警報系統(tǒng)，以比較該三維表示的位置數(shù)據(jù)和預(yù)定水平值，當比較結(jié)果為位置數(shù)據(jù)超過了水平值時，其被設(shè)計來觸發(fā)一個警報信號。這樣做需要計算爐渣表面141在爐壁附近變化的外圍的最終值，并且將其與一個預(yù)先確定的偏離標準相比較，例如一個給定的厘米數(shù)。使用本發(fā)明，整個爐渣表面的位置測量可以通過一個單獨的固定天線145來完成。
試驗設(shè)置可如圖16所詳細說明的那樣設(shè)置一個試驗以檢驗該方法。底座160上有許多片狀天線元件，與一個開關(guān)系統(tǒng)162相連，以使每個天線與一組開關(guān)的輸入端相連。該開關(guān)系統(tǒng)與計算機166相連，以使任何單個的天線都可被選擇。該開關(guān)系統(tǒng)的輸出端與一個接收機163相連，以使任何一個天線可在任何給定時間與該接收機相連。優(yōu)選地作為一個天線片包含在基座160上，但是為簡單起見被作為一個分立的元件說明的一個天線161與發(fā)射機164相連。該發(fā)射機和接收機為一個網(wǎng)絡(luò)分析儀165，如威爾頓360BVNA。該網(wǎng)絡(luò)分析儀在一個頻帶上步進頻率，如在11GHz到12GHz之間分501步，優(yōu)選地為等間隔步進。對于每個頻率步進，當分別對于每個頻率上的每個天線元件，該發(fā)射信號被接收信號分開時，每個接收機天線被打開并且數(shù)據(jù)被記錄在計算機中。
可選定，也可為每個天線元件提供接收機。所有的接收機必須鎖相在一個公共的頻率標準上以形成一個相關(guān)的干涉系統(tǒng)。然后該數(shù)據(jù)被同時記錄。
然后為每個接收天線將該數(shù)據(jù)從頻率傅立葉變換到時延。到每個天線的數(shù)據(jù)被相移以解決來自干涉儀光中心的偏移量。然后通過為在每個延遲信道上的每個天線對作復共軛乘法以重建基線。此后，在每個延遲信道上為所有的基線對作二維傅立葉變換以從基線坐標轉(zhuǎn)化到角坐標。新的數(shù)據(jù)立方將如同心球上的二維角一樣包括三維的干涉響應(yīng)。然后為了更好的顯示該數(shù)據(jù)立方，該坐標系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化到笛卡爾坐標系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種使用發(fā)射機天線和多個垂直于主視線隔離開來的接收機天線為一個反射點確定在空間中的位置的方法，包括步驟-發(fā)射干涉電磁波信號到該反射點；-檢測該發(fā)射信號與接收機天線從反射點接收的反射信號之間的相位差；-在一個頻帶上的多個頻率步進中重復發(fā)射和接收的步驟；-根據(jù)信號頻率，通過測量相位差的變化，確定到反射點的距離(r)；以及-根據(jù)在至少兩個接收機天線中從反射點接收反射信號之間的延遲和所述至少兩個接收機天線之間的已知間隔，識別從接收機到反射點的視線和主視線之間的角度(，θ)。
2.權(quán)利要求1的方法，包括步驟-合成所述發(fā)射信號和所述接收信號；-執(zhí)行所述合成信號的傅立葉變換；以及-執(zhí)行檢測相位差和確定頻域中的延遲的步驟。
3.權(quán)利要求1的方法，其中識別角度的步驟包括步驟-將在所述至少兩個接收機天線中接收的信號合成為一個總接收機信號；-從該總接收機信號確定在所述至少兩個接收機天線中從反射點接收反射信號之間的延遲；以及-基于所確定的延遲和已知間隔計算所述角度。
4.權(quán)利要求3的方法，其中確定接收反射信號之間的延遲的步驟包括步驟-確定接收信號之間的相位差。
5.權(quán)利要求1的方法，包括步驟-檢測在至少一個接收機天線中接收的信號的振幅變化；-將該振幅變化與一個閾值標準相比較；以及-基于該比較結(jié)果識別反射點的存在。
6.權(quán)利要求1的方法，包括步驟-使用全向發(fā)射天線以同時暴露一個多面角；-確定在所述多面角和該接收機的視場角重疊部分中多個反射點的距離和角度。
7.權(quán)利要求1的方法，其中識別角度的步驟包括步驟-將在至少兩個接收機天線中接收的反射信號合成為總接收機信號；-選擇在至少兩個接收機天線之間的延遲，其代表根據(jù)已知間隔，到接收機的反射信號的確定的入射角；-作為在至少兩個接收機天線之間的延遲的函數(shù)，檢測在該總接收機信號中的振幅變化；-將該振幅變化與一個閾值標準相比較；以及-基于該比較結(jié)果識別一個反射點的存在。
8.權(quán)利要求7的方法，包括步驟-根據(jù)在至少兩個接收機天線之間的接收延遲和已知間隔，識別該已識別的反射點的入射角。
9.權(quán)利要求6的方法，包括步驟-產(chǎn)生所述多個反射點位置的三維表示。
10.權(quán)利要求6的方法，包括步驟-產(chǎn)生適于所述多個反射點所確定的位置的表面的三維表示。
11.權(quán)利要求10的方法，包括步驟-對該表面的三維表示積分以確定由該表面所確定的體積。
12.權(quán)利要求6的方法，包括步驟-將發(fā)射信號引導到一個物體；-檢測該物體外表面上反射點反射的接收信號；-檢測穿過該外表面并在物體的外表面以下一個較低反射點反射的接收信號；-確定該較低的反射點的位置。
13.權(quán)利要求12的方法，包括步驟-檢測穿過該外表面并在物體的該外表面以下多個較低反射點反射的接收信號；-確定該多個較低的反射點的位置；-產(chǎn)生一個適于該多個較低反射點的位置的較低表面的三維表示。
14.權(quán)利要求13的方法，包括步驟-對該較低表面的三維表示積分，以確定由該較低表面確定的體積。
15.權(quán)利要求1的方法，包括步驟-將該發(fā)射機天線也用作所述接收機天線中的一個。
16.前述權(quán)利要求1～15中任何一項的方法，用于一個貨物監(jiān)督應(yīng)用中，包括步驟-在一個貨運容器的貨物空間中放置發(fā)射機天線和接收機天線；-為該貨物空間中存在的貨物表面上的多個反射點確定位置；-產(chǎn)生適于所述多個反射點所確定的位置的表面的三維表示；-提供該三維表示到貨物監(jiān)督系統(tǒng)。
17.權(quán)利要求16的方法，包括步驟-對緊靠該貨物空間側(cè)壁的表面的三維表示積分，以提供該貨物的體積表示。
18.權(quán)利要求17的方法，包括步驟-使用該貨物的體積表示和密度值確定該貨物的質(zhì)量。
19.權(quán)利要求18的方法，包括步驟-為該體積表示計算重心位置；以及-計算一個傾斜參數(shù)，其代表由該貨物質(zhì)量提供的傾斜力。
20.權(quán)利要求19的方法，包括步驟-將該傾斜參數(shù)與一個預(yù)定值相比較；以及-當該傾斜參數(shù)超過該預(yù)定值時觸發(fā)一個警報或信息輸出。
21.前述權(quán)利要求1～15中任何一項的方法，用于地面探測應(yīng)用中，包括步驟-在一個支撐結(jié)構(gòu)上放置該發(fā)射機天線和接收機天線；-升高該支撐結(jié)構(gòu)，并將該發(fā)射機天線朝向一個地面區(qū)域；-為當前處于所述地面以下的多個反射點確定位置；-產(chǎn)生這些反射點的一個三維表示。
22.前述權(quán)利要求1～15中任何一項的方法，用于機器人操縱應(yīng)用中，包括步驟-提供一個工業(yè)機器人，其具有一個與可動的操縱機械裝置相連的固定底座；-放置與該機器人相連的發(fā)射機天線和接收機天線；-確定由該機器人操作的一個物體上的多個反射點的位置；-根據(jù)該已確定的位置，控制操縱機械裝置上的機器人頭部的運動。
23.權(quán)利要求22的方法，包括步驟-與該機器人頭部有固定關(guān)系地放置該發(fā)射機天線和接收機天線。
24.權(quán)利要求22的方法，包括步驟-與該固定底座有固定關(guān)系地放置該發(fā)射機天線和接收機天線；-監(jiān)控該操縱機械裝置的運動以確定機器人頭部相對于該固定底座的相對位置；以及-根據(jù)該已確定的位置控制機器人頭部的運動并且控制該操縱機械裝置的運動。
25.前述權(quán)利要求1～15中任何一項的方法，用于一個車輛定位應(yīng)用中，包括步驟-提供一個包含驅(qū)動和操縱裝置的車輛；-放置與該車輛相連的發(fā)射機天線和接收機天線；-為該車輛環(huán)境中的多個反射點確定位置；-根據(jù)該已確定的位置控制該車輛的驅(qū)動和操縱裝置。
26.權(quán)利要求25的方法，包括步驟-確定該反射點位置之間的距離；-基于到一個相鄰反射點的距離識別一個反射點；-為該已識別的反射點找回真實位置數(shù)據(jù)；以及-根據(jù)該反射點的真實位置和已確定的反射點相對于天線發(fā)射機的位置，確定該車輛的位置。
27.前述權(quán)利要求1～15中任何一項的方法，用于監(jiān)控熔爐中的爐渣表面的應(yīng)用中，包括步驟-提供一個熔爐，包括被具有爐渣表面的爐渣層覆蓋的熔料；-在與熔爐相關(guān)的一個已知位置放置發(fā)射機天線和接收機天線；-為該爐渣表面上的多個反射點確定位置；-提供該爐渣表面的三維表示；-基于該三維表示監(jiān)控爐渣表面的形狀或者位置。
28.權(quán)利要求27的方法，包括步驟-在顯示器上顯示該三維表示的圖像。
29.權(quán)利要求27的方法，包括步驟-將該三維表示的位置數(shù)據(jù)與一個預(yù)定水平值相比較；-如果該位置數(shù)據(jù)超過該水平值則觸發(fā)一個警報信號。
30.一種用于為反射點在空間中確定位置的裝置，包括-信號發(fā)生器，被設(shè)計以產(chǎn)生一個確定頻率的電磁波信號，-天線單元，包括一個發(fā)射機天線，被設(shè)計以發(fā)射所產(chǎn)生的干涉電磁波，和多個接收機天線，所述多個接收機天線被與主視線垂直的已知間隔分開并被設(shè)計以接收該發(fā)射波的反射部分，-與發(fā)射機天線和接收機天線相連的相位比較器裝置，-與該相位比較器裝置相連的控制單元，可操作用于從至少兩個接收機天線之間的已檢測的相位差和所述至少兩個接收機天線間的間隔計算到一個反射點的角度，并根據(jù)該頻率通過已檢測的發(fā)射機天線和接收機天線之間的相位差計算到該反射點的距離。
31.權(quán)利要求30的裝置，進一步包括與信號發(fā)生器相連的頻率步進函數(shù)，被設(shè)計以在整個頻帶上以多個頻率步進產(chǎn)生波信號，其中控制單元被設(shè)計以通過在所述頻率步進上發(fā)射機天線和接收機天線之間的已檢測的相位差變化，計算到該反射點的距離。
32.權(quán)利要求30的裝置，其中該發(fā)射機天線和接收機天線具有一個很大的光束寬度模式，以使產(chǎn)生的干涉電磁波被發(fā)射以覆蓋整個區(qū)域或物體。
33.權(quán)利要求32的裝置，其中該光束寬度模式表示0～120°的全視場角。
34.權(quán)利要求30的裝置，進一步包括計算機系統(tǒng)和計算機程序代碼裝置，當其被執(zhí)行時使該計算機系統(tǒng)執(zhí)行權(quán)利要求1～29中的任何一項中的步驟。
35.一種用于確定一個實體的體積的系統(tǒng)，包括權(quán)利要求32所述的裝置，其中該天線單元被放置于距離該實體一定距離處，以便從該天線的位置同時照亮整個實體，其中控制單元被設(shè)計以為該物體表面的多個反射點確定位置，并進一步包括用于產(chǎn)生適于所述多個反射點的已確定位置的表面的三維表示的裝置，和用于對該表面的三維表示積分以確定由該表面確定的體積的裝置。
36.一種用于產(chǎn)生地下特征圖像的系統(tǒng)，包括權(quán)利要求32所述的裝置，其中該天線單元被放置以保持在由起重裝置升起的位置上，以便同時照亮一個地表區(qū)域，其中該控制單元被設(shè)計以確定位于地表以下一個反射點的位置。
37.權(quán)利要求36所述的產(chǎn)生地下特征圖像的系統(tǒng)，其中該控制單元被設(shè)計以確定該地表以下多個反射點的位置，并且進一步包括用于產(chǎn)生所述多個反射點位置的三維表示的裝置。
38.一種用于監(jiān)控貨運容器中貨物空間的系統(tǒng)，包括權(quán)利要求32中所述的裝置，其中該天線單元朝向被設(shè)計以保存貨物的貨物空間，其中該控制單元被設(shè)計以為貨物空間中放置的貨物的表面上的多個反射點確定位置，并且進一步包括用于產(chǎn)生適于所述多個反射點的已確定的位置的表面的三維表示的裝置，設(shè)置控制單元，其被連接以為貨物監(jiān)督系統(tǒng)提供該三維表示。
39.權(quán)利要求38所述的用于監(jiān)控貨運容器中貨物空間的系統(tǒng)，包括用于對緊靠該貨物空間側(cè)壁的表面的三維表示積分的裝置，以提供該貨物的體積表示。
40.權(quán)利要求39所述的用于監(jiān)控貨運容器中貨物空間的系統(tǒng)，包括使用該貨物的體積表示和密度值確定該貨物質(zhì)量的裝置。
41.權(quán)利要求40所述的用于監(jiān)控貨運容器中貨物空間的系統(tǒng)，包括用于為該體積表示計算重心位置的裝置，和用于計算表示由該貨運容器中的貨物質(zhì)量提供的傾斜力的傾斜參數(shù)的裝置。
42.權(quán)利要求41所述的用于監(jiān)控貨運容器中貨物空間的系統(tǒng)，包括用于將該傾斜參數(shù)和一個預(yù)定值相比較的裝置，和當該傾斜參數(shù)超過該預(yù)定值時觸發(fā)一個警報或者信息輸出的裝置。
43.一種用于監(jiān)控熔爐中爐渣表面的系統(tǒng)，包括權(quán)利要求32所述的裝置，其中該天線單元被放置在相對于熔爐的已知位置，并朝向該熔爐內(nèi)部，其被設(shè)計以容納被一個具有爐渣表面的爐渣層覆蓋的熔料，其中該控制單元被設(shè)計以為該爐渣表面上的多個反射點確定位置，并進一步包括用于提供該爐渣表面的三維表示的裝置。
44.權(quán)利要求43所述的用于監(jiān)控熔爐中爐渣表面的系統(tǒng)，包括用于顯示該三維表示的圖像的顯示器。
45.權(quán)利要求43所述的用于監(jiān)控熔爐中爐渣表面的系統(tǒng)，包括用于將該三維表示的位置數(shù)據(jù)和預(yù)定水平值相比較的裝置，和在位置數(shù)據(jù)超過了水平值時用于觸發(fā)警報信號的裝置。
46.一種操縱具有與可動操縱機械裝置相連的固定底座的機器人的系統(tǒng)，包括權(quán)利要求32所述的具有與機器人相連的天線單元的裝置，其中控制單元被設(shè)計以為該機器人操作的物體上的多個反射點確定位置，并被設(shè)計根據(jù)該已確定的位置控制操縱機械裝置的運動。
47.權(quán)利要求46所述的用于操縱機器人的系統(tǒng)，其中該天線單元以與該機器人頭部具有固定關(guān)系地放置。
48.權(quán)利要求46所述的用于操縱機器人的系統(tǒng)，其中該天線單元以與該固定底座具有固定關(guān)系地放置，并且該控制單元被設(shè)計來監(jiān)控該操縱機械裝置的運動，以確定機器人頭部相對于該固定底座的相對位置，并根據(jù)該已確定的位置控制機器人頭部的運動和該操縱機械裝置的運動。
49.一種用于定位車輛的系統(tǒng)，包括權(quán)利要求32所述的裝置，其中該天線單元被攜帶在該車輛上并且多個反射點被固定在該車輛環(huán)境中的預(yù)定位置上，所述控制單元被設(shè)計以確定與該天線單元相關(guān)的所述多個反射點中的至少兩個反射點的相對位置，并根據(jù)該預(yù)定位置計算該車輛的位置和該至少兩個反射點的相對位置。
50.權(quán)利要求49所述的用于定位車輛的系統(tǒng)，所述車輛包括驅(qū)動和操縱裝置，其中該控制單元進一步被設(shè)計根據(jù)該車輛的已確定位置控制該車輛的驅(qū)動和操縱裝置。
51.權(quán)利要求49所述的用于定位車輛的系統(tǒng)，其中該控制單元被設(shè)計以確定至少兩個反射點位置之間的距離，并基于到一個相鄰反射點的距離識別一個反射點，該控制單元進一步被設(shè)計以為存儲器中已識別的反射點找回預(yù)定位置數(shù)據(jù)。
52.一種天線單元，被設(shè)計用于發(fā)射一個確定頻率的干涉電磁波和接收來自空間中一個位置的反射點的反射信號，包括攜帶發(fā)射機天線、多個接收機天線的支撐結(jié)構(gòu)，該接收機天線以與天線單元的主視線垂直的間隔分離開來。
53.權(quán)利要求52所述的天線單元，其中該接收機天線在所述支撐結(jié)構(gòu)的平面上分布，該平面的法線方向確定為主視線。
54.權(quán)利要求52所述的天線單元，其中該接收機天線中的一個也是發(fā)射機天線。
55.權(quán)利要求52所述的天線單元，其中該發(fā)射機天線和接收機天線具有一個很大的光束寬度模式，以使產(chǎn)生的干涉電磁波被發(fā)射來覆蓋整個區(qū)域或物體。
56.權(quán)利要求55所述的天線單元，其中該很大的光束寬度模式表示0～120°的全視場角。
全文摘要
本發(fā)明涉及多維成像方法及裝置。一種使用微波為反射點確定位置的方法、天線和系統(tǒng)。產(chǎn)生一個確定頻率的電磁波信號，并通過一個天線單元發(fā)射出去。該天線單元包括一個發(fā)射機天線和多個接收機天線，該接收機天線被與天線的主視線垂直的已知間隔開來，并被設(shè)計以接收發(fā)射波的反射部分。相位比較器裝置與該發(fā)射機天線和接收機天線相連，一個與該相位比較器裝置相連的控制單元可操作以通過檢測到的至少兩個接收機天線之間的相位差和所述至少兩個接收機天線之間的間隔計算到反射點的角度，以及根據(jù)該頻率，通過該發(fā)射機天線和一個接收機天線之間檢測到的相位差計算到該反射點的距離。
文檔編號G01S13/89GK1959432SQ20061014244
公開日2007年5月9日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者拉斯·博特, 埃米爾·尼爾森 申請人:阿格利斯集團股份公司