Deutsch

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Entwicklung neuer Prinzipien für Mikrowellenabbildungsverfahren. Diese zielen insbesondere auf die Anwendung bei der berührungslosen Bestimmung der Position und Orientierung von einzelnen Objekten in einer Gruppe von mehreren bekannten Objekten.

Es werden unterschiedliche Konfigurationen zur Erfassung der Orts- und Frequenzabhängigkeit (bzw. Impulsantwort) der elektromagnetischen Rückstreuung der Szene berücksichtigt, u.a. monostatische Verfahren mit synthetischer fokussierter Apertur (SAR) und multifrequente Holographie mit synthetischer oder physikalischer Apertur.

Die Bildrekonstruktion bei konventionellen Verfahren beruht auf der Modellierung der Gesamtstreuung der Szene als lineare Superposition von Beiträgen einzelner, unabhängig voneinander streuender Punkte („Streuzentren“). Die bei den betrachteten Szenarien typischerweise auftretenden Mehrfachstreubeiträge werden als Ergebnis dieser Modellierung („Reflektivitätsmodell“) in fiktive Streuzentren abgebildet. Falls die fiktiven Streuzentren nicht als Ergebnis von Mehrfachstreuungen identifiziert werden, erschweren sie die Interpretation des Mikrowellenbilds im Sinne obiger Aufgabenstellung, insbesondere weil ihre Position nicht mit charakteristischen Orten der Objekte zusammenfällt.

Um zu einer signifikanten Verbesserung bei der Auswertung nach den gesuchten Objektpositionen und -orientierungen zu kommen, wird daher in dieser Arbeit das aus der Kommunikationstechnik bekannte MIMO-Prinzip (Multiple-Input-Multiple-Output) verwendet, bei dem die Szene mit Mehrfachantennen illuminiert wird. Die auf diese Weise zusätzlich gewonnene Rückstreuinformation ermöglicht die Verwendung eines erweiterten Rückstreumodells, das zwischen räumlichen Bereichen, in denen die Anregung erfolgt, und räumlichen Bereichen, in denen sich die Quellen des gemessenen rückgestreuten Feldes befinden, unterscheidet. Damit kann dieses Modell im Gegensatz zum konventionellen Modell auch Mehrfachstreubeiträge berücksichtigen. In Verbindung mit einem adäquaten Rekonstruktionsverfahren wird es somit möglich, unterschiedliche Streubeiträge zu unterscheiden. Auf diese Weise ist es unter anderem möglich, Mehrfachstreubeiträge von Einfachstreubeiträgen zu trennen und somit die in diesen Beiträgen enthaltene Information separat auszuwerten.

Die in der Arbeit entwickelten Verfahren werden anhand experimenteller Daten für verschiedene Testszenarien verifiziert.

English

This work deals with novel principles in microwave imaging for the remote determination of position and orientation of known objects within a scene composed of multiple objects.

Different configurations for collecting data about the spatial and temporal properties of the electromagnetic field backscattered by the scene of interest are considered. These comprise i.e. monostatic radar with synthetic aperture (SAR) as well as multi-frequency holography with synthetic and physical apertures.

Image reconstruction with conventional approaches relies on a model („reflectivity model“) where the total field backscattered by the scene is assumed to be the linear superposition of contributions caused by points (scattering centers) scattering independently from each other. As a result of this conventional model, multiple scattering contributions which are significant for the considered sceneries are mapped into fictitious scattering centers. If these fictitious scattering centers are not recognized to be the result of multiple reflections, they render the extraction of geometric information from the microwave image difficult. This is especially due to the fact that their position does not coincide with the location of characteristic features of the object.

In order to overcome this problem the MIMO principle (multiple input multiple output) is employed. This implies that the scene is simultaneously illuminated by multiple antennas. Taking advantage of the gained additional information, an advanced scattering model can be used which allows to consider the interaction of spatially separated parts of the objects. Thus, in contrast to the conventional model, multiple scattering contributions can be identified and quantified. This includes the discrimination between single and multiple scattering contributions, so that inherent information can be evaluated separately.

By means of different scenes the developed approaches are experimentally verified.