DE102012106938A1

DE102012106938A1 - Abbildende Erfassung eines Radargesichtsfelds in der Prozessautomatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102012106938A1
Application number: DE102012106938.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt; Tobias Chaloun; Winfried Mayer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-01-30
Also published as: WO2014019778A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes mittels einer Radarmessanordnung beschrieben. Die Radarmessanordnung umfasst eine Sendeantennenanordnung mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen, welche so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement Radarstrahlung in einer anderen Abstrahlebene abstrahlt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition der ersten Winkelkoordinate verkippt ist. Außerdem umfasst die Radarmessanordnung eine Empfangsantennenanordnung mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen, welche so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement Radarstrahlung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs der zweiten Winkelkoordinate empfängt. Das Verfahren umfasst das Abstrahlen von Radarstrahlung durch die Sendeantennenanordnung, wobei die Abstrahlung auf Senderseite bezüglich der ersten Winkelkoordinate nacheinander zwischen unterschiedlichen Abstrahlebenen durchgeschaltet wird, das Empfangen von an Radarzielen zurückreflektierten Empfangssignalen durch die Empfangsantennenanordnung, das Bestimmen der zweiten Winkelkoordinate, unter der die Empfangssignale auf der Empfangsantennenanordnung eintreffen, anhand einer Phasenprogression der Empfangssignale oder durch rechnerisches Auswerten verschiedener Ausbreitungswege mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming, sowie das Erzeugen eines zweidimensionalen Abbilds des Radargesichtsfelds anhand der für die verschiedenen Werte der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate erhaltenen Empfangssignale.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Radarmessanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 sowie eine Radarmessanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Insbesondere im Bereich der Füllstandsmessung, aber auch in anderen Bereichen wird Radarstrahlung für Messzwecke eingesetzt. Neben der reinen Füllstandsmessung gewinnen auch abbildende Radarmessgeräte an Bedeutung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfelds sowie entsprechende Radarmessanordnungen zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere für die Prozessautomatisierungstechnik geeignet sind.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 8, 14 und 15 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren dient zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes mittels einer Radarmessanordnung. Die Radarmessanordnung umfasst eine Sendeantennenanordnung mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen, wobei die ersten Hornantennenelemente der Sendeantennenanordnung so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement Radarstrahlung in einer anderen Abstrahlebene abstrahlt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition der ersten Winkelkoordinate verkippt ist. Außerdem umfasst die Radarmessanordnung eine Empfangsantennenanordnung mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen, wobei die zweiten Hornantennenelemente der Empfangsantennenanordnung so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement Radarstrahlung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs der zweiten Winkelkoordinate empfängt.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Abstrahlen von Radarstrahlung durch die Sendeantennenanordnung, wobei die Abstrahlung auf Senderseite bezüglich der ersten Winkelkoordinate nacheinander zwischen unterschiedlichen Abstrahlebenen durchgeschaltet wird, und das Empfangen von an Radarzielen zurückreflektierten Empfangssignalen durch die Empfangsantennenanordnung. Das Verfahren umfasst das Bestimmen der zweiten Winkelkoordinate, unter der die Empfangssignale auf der Empfangsantennenanordnung eintreffen, anhand einer Phasenprogression der Empfangssignale oder durch rechnerisches Auswerten verschiedener Ausbreitungswege mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming, sowie das Erzeugen eines zweidimensionalen Abbilds des Radargesichtsfelds anhand der für die verschiedenen Werte der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate erhaltenen Empfangssignale.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren ist durch eine Kombination von unterschiedlichen Abstrahlebenen einerseits und einem Einsatz von Digital Beam Forming oder phasengesteuerten Gruppenantennen andererseits gekennzeichnet. Durch die Kombination von unterschiedlichen Methoden für die Ermittlung der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate wird eine besonders vorteilhafte abbildende Erfassung eines Radargesichtsfelds ermöglicht. Beispielsweise wird, falls auf Empfängerseite Digital Beam Forming zum Einsatz kommt, der rechnerische Aufwand für das Digital Beam Forming verringert, weil lediglich eine Winkelkoordinate mittels Digital Beam Forming bestimmt werden muss, denn senderseitig ist die erste Winkelkoordinate der Abstrahlebene, in der die Abstrahlung erfolgt, bekannt. Wenn dagegen auf Empfängerseite eine phasengesteuerte Gruppenantenne zum Einsatz kommt, wird dadurch die insgesamt empfangene Leistung erhöht.
Das zweite erfindungsgemäße Verfahren dient zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes mittels einer Radarmessanordnung. Die Radarmessanordnung umfasst eine Sendeantennenanordnung mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen, wobei die ersten Hornantennenelemente der Sendeantennenanordnung so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement die Leistung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs einer ersten Winkelkoordinate abstrahlt. Außerdem umfasst die Radarmessanordnung eine Empfangsantennenanordnung mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen, wobei die zweiten Hornantennenelemente der Empfangsantennenanordnung so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement Radarstrahlung in einer anderen Empfangsebene empfängt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition einer zweiten Winkelkoordinate verkippt ist.
Das zweite erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Abstrahlen von Radarstrahlung durch die Sendeantennenanordnung, wobei entweder unterschiedliche Ausbreitungswege durchgeschaltet werden zur Auswertung der ersten Winkelkoordinate mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming, oder unterschiedliche Phasenprogressionen zur Abstrahlung in unterschiedliche Abstrahlbereiche der ersten Winkelkoordinate durchgeschaltet werden. Außerdem umfasst das Verfahren das Empfangen und Auswerten von an Radarzielen zurückreflektierten Empfangssignale durch die Empfangsantennenanordnung in unterschiedlichen Empfangsebenen bezüglich der zweiten Winkelkoordinate, sowie das Erzeugen eines zweidimensionalen Abbilds des Radargesichtsfelds anhand der für die verschiedenen Werte der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate erhaltenen Empfangssignale.
Das zweite erfindungsgemäße Verfahren ist durch eine Kombination eines Einsatzes von Digital Beam Forming oder phasengesteuerten Gruppenantennen einerseits und von unterschiedlichen Empfangsebenen andererseits gekennzeichnet. Genau wie beim ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Kombination von unterschiedlichen Methoden für die Ermittlung der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate eine besonders vorteilhafte abbildende Erfassung eines Radargesichtsfelds ermöglicht. Beispielsweise wird, falls zur Bestimmung der ersten Winkelkoordinate Digital Beam Forming eingesetzt wird, der rechnerische Aufwand für das Digital Beam Forming verringert, weil lediglich eine Winkelkoordinate mittels Digital Beam Forming bestimmt werden muss, denn empfängerseitig ist die zweite Winkelkoordinate der Empfangsebene, in der die Radarstrahlung empfangen wird, bekannt. Wenn dagegen auf Senderseite eine phasengesteuerte Gruppenantenne zum Einsatz kommt, wird dadurch die insgesamt abstrahlte Leistung erhöht.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Antennenanordnung;
2 den Aufbau der erfindungsgemäßen Antennenanordnung aus stapelbaren Hornantennenelementen;
3 ein aus Stanzteilen gefertigtes Hornantennenelement;
4 die Abstrahlcharakteristik eines einzelnen Hornantennenelements;
5 eine aus zwei nebeneinander angeordneten Stapeln aufgebaute Antennenanordnung;
6 eine Detailansicht der in 5 gezeigten Antennenanordnung;
7 eine rückwärtige Ansicht der in 5 gezeigten Antennenanordnung;
8 ein erstes Messverfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfelds;
9 eine schematische Darstellung der Abrasterung eines Radargesichtsfelds;
10A, 10B zwei vorteilhafte technische Implementierungen des in 8 gezeigten Messverfahrens;
11 den Einsatz von abbildendem Radar zur Bestimmung eines Schüttgutvolumens;
12 ein zweites Messverfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfelds;
13 eine schematische Darstellung eines Phasenverzögerungsglieds;
14 ein drittes Messverfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfelds;
15 eine Antennenanordnung, die sich insbesondere zur Realisierung der in den 12 und 14 gezeigten Messverfahren eignet;
16 ein viertes Messverfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfelds; und
17 ein fünftes Messverfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfelds.
1 zeigt eine Antennenstruktur 100 für das Frontend einer Radarmessvorrichtung. Die erfindungsgemäße Antennenstruktur 100 ist aus einer Anzahl von aufeinander gestapelten Hornantennen aufgebaut und kann sowohl als Sendeantennenstruktur als auch als Empfangsantennenstruktur für Radarstrahlung eingesetzt werden. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Antennenstruktur 100 aus acht übereinander gestapelten Hornantennenelementen 101–108 aufgebaut. Die Hornantennenelemente 101–108 können beispielsweise als Formteile ausgebildet sein, welche aus einem leitfähigen Material gefertigt sind. Beim Übereinanderstapeln der einzelnen Hornantennenelemente 101–108 dient die Grundplatte des nächstfolgenden Hornantennenelements jeweils als obere Abdeckung des darunter liegenden Hornantennenelements. Das oberste Hornantennenelement 108 des Antennenstapels wird dann mit einer Deckplatte 109 abgeschlossen, welche ebenfalls aus leitfähigem Material besteht. Jedes der Hornantennenelemente 101–108 weist an seiner Vorderseite eine Strahlöffnung 110–117 auf. An der Vorderseite der Antennenstruktur 100 sind daher acht übereinander angeordnete Strahlöffnungen 110–117 zu erkennen, die in Form von schmalen horizontalen Schlitzen ausgebildet sind. Die Hornantennenelemente 101–108 können wahlweise zum Senden oder zum Empfangen von Radarstrahlung eingesetzt werden.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden Füllstandmessgeräte oft in geschlossenen Speicherbehältern (Silos, Tanks) eingesetzt, in deren Abdeckungen sich runde Flanschöffnungen zur Installation von Sensoren befinden. Um das erfindungsgemäßen Verfahren in möglichst vielen Speicherbehältern einsetzen zu können, ist ein kompakter, in kleine Flanschöffnungen passender Gesamtaufbau der Antennenstruktur vorteilhaft. Kompakte Abmessungen der Antennenstruktur werden durch einen minimalen Abstand zwischen den Strahlöffnungen von benachbarten Hornantennenelementen erreicht. Dieser Minimalabstand liegt etwa in der Größenordnung von einer halben Wellenlänge. Bei einer Frequenz von ca. 60–90 GHz würde der Abstand zwischen benachbarten Strahlöffnungen daher im Bereich zwischen 1,5 und 2,5 mm liegen. Entsprechend müsste jedes der Formteile 101–108 eine Dicke im Bereich zwischen 1,5 mm und 2,5 mm aufweisen. Bei Anwendungen der Prinzipien phasengesteuerter Gruppenantennen und digitaler Strahlformung hat ein minimaler Abstand der Antennenelemente zudem den Vorteil eines großen bezüglich der Winkelabbildung eindeutigen Gesichtsfeldes.
In 2 sind zwei der Hornantennenelemente gezeigt, die zum Aufbau der Antennenstruktur von 1 benötigt werden. Die beiden Hornantennenelemente 200 und 201 sind als Formteile ausgebildet. Das Hornantennenelement 200 umfasst eine Grundplatte 202 und zwei daran angeformte Seitenelemente 203, 204, die die Kontur des Horns definieren. Am rückwärtigen Ende des Formteils ist ein Hohlleiteranschluss 205 vorgesehen, über den elektromagnetische Leistung in die Hornantenne eingespeist oder aus der Hornantennen entnommen werden kann. An der Vorderseite des Hornantennenelements 200 befindet sich eine Abstrahlöffnung 206 in Form eines langen horizontalen Schlitzes. Die von den Seitenelementen 203, 204 gebildeten seitlichen Begrenzungen 207, 208 verlaufen vom Hohlleiteranschluss 205 zur Strahlöffnung 206 und bilden eine Wellenführung für die elektromagnetischen Wellen. Dabei ist das gesamte Formteil, welches sowohl die Grundplatte 202 als auch die daran angeformten Seitenelemente 203, 204 umfasst, aus leitfähigem Material gefertigt. Das Formteil kann beispielsweise als Metallspritzgussteil hergestellt sein, oder als metallisiertes Kunststoffspritzgussteil. Alternativ dazu kann das Formteil aus Aluminium gefräst sein. Eine weitere Möglichkeit ist es, das Hornantennenelement durch Tiefziehen eines Bleches, vorzugsweise eines Buntmetallblechs (z. B. Messing, Kupfer sowie Legierungen davon) herzustellen.
In 2 ist zu erkennen, dass in die Strahlöffnung 206 des Hornantennenelements 200 eine dielektrische Linsenplatte 209 eingepasst ist. Die dielektrische Linsenplatte 209 besteht aus einem nichtleitenden Dielektrikum, vorzugsweise aus einem Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten ε im Bereich zwischen 2 und 4. Als Material für die dielektrische Linsenplatte 209 eignet sich beispielsweise Polycarbonat, Polytetrafluorethylen (PTFE, auch bekannt als Teflon), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), etc. Die Form der dielektrischen Linsenplatte 209 ist dabei so gewählt, dass die dielektrische Linsenplatte 209 für die über den Hohlleiteranschluss 205 zugeführten elektromagnetischen Wellen als Linse wirkt. Infolge dieses Linseneffekts werden von dem Hornantennenelement 200 im Wesentlichen ebene Radarwellen abgestrahlt, und die empfangenen Radarwellen werden in Richtung zum Hohlleiteranschluss 205 hin gebündelt. Würde man auf den Einsatz der dielektrischen Linsenplatte 209 verzichten, so müsste die Bautiefe der Hornantennenelemente deutlich größer sein. Insofern bietet die dielektrische Linsenplatte 209 den Vorteil, dass die Bautiefe der einzelnen Hornantennenelemente 200, 201 und damit auch die Bautiefe der gesamten Antennenstruktur 100 signifikant verringert werden kann. Durch den Einsatz von dielektrischen Linsenplatten kann also eine kompaktere Bauform der Hornantennenelemente erzielt werden.
In 2 ist außerdem ein zweites Hornantennenelement 201 gezeigt, das direkt auf das erste Hornantennenelement 200 gestapelt wird, so dass sich der in 1 gezeigte Stapel von Hornantennenelementen ergibt. Das zweite Hornantennenelement 201 umfasst ein Formteil mit einer Grundplatte 210 und zwei daran angeformten Seitenelementen 211, 212. Vom Hohlleiteranschluss 213 aus erstrecken sich die seitlichen Begrenzungen 214, 215 zu der Strahlöffnung 216 hin, die als schmaler horizontaler Schlitz ausgebildet ist. Die seitlichen Begrenzungen 214, 215 definieren die Innenkontur der Hornantenne.
Wie beim ersten Hornantennenelement 200 kann auch beim zweiten Hornantennenelement 201 innerhalb der Strahlöffnung 216 eine dielektrische Linsenplatte angeordnet sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist diese in 2 jedoch nicht mit dargestellt.
Beim Aufeinanderstapeln der verschiedenen Hornantennenelemente ist es von Vorteil, die einzelnen Hornantennenelemente relativ zueinander exakt zu positionieren. Nur so kann im Fall eines Sendeantennenstapels eine definierte Abstrahlcharakteristik bzw. im Fall eines Empfangsantennenstapels eine definierte Empfangscharakteristik erzielt werden. Um ein Hornantennenelement relativ zu einem darunter angeordneten Hornantennenelement zu positionieren, können beispielsweise Rastnasen oder Nut-Feder-Konstruktionen an den Hornantennenelementen vorgesehen sein. Alternativ dazu könnten innerhalb der Seitenelemente Bohrlöcher vorgesehen sein, die durch den gesamten Antennenstapel hindurchreichen. In diese Bohrlöcher können dann Führungsstangen eingeschoben werden, um auf diese Weise eine exakte Positionierung der übereinander gestapelten Hornantennenelemente zu erreichen.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Hohlleiteranschlüsse 205, 213 abwechselnd versetzt zueinander angeordnet. Dadurch steht für jeden der Hohlleiteranschlüsse an der Rückseite des Antennenstapels mehr Platz für die Ankontaktierung zur Verfügung, um elektromagnetische Leistung einzukoppeln oder auszukoppeln. Beispielsweise können die Hohlleiteranschlüsse 205, 213 oder mit einer Schaltmatrix verbunden werden.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform eines Hornantennenelements gezeigt, bei dem das Hornantennenelement aus leitfähigen Stanzteilen aufgebaut ist. Das in 3 gezeigte Hornantennenelement 300 umfasst eine Grundplatte 301, auf der zwei Seitenplatten 302, 303 angeordnet sind. Sowohl die Grundplatte 301 als auch die Seitenplatten 302, 303 sind als leitfähige Stanzteile realisiert, und zwar vorzugsweise als Blechstanzteile. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird das Hornantennenelement 300 aus Stanzteilen aus Edelstahlblech aufgebaut. Die Seitenteile 302, 303 definieren die Innenkontur der Hornantenne vom Hohlleiteranschluss 304 zur Strahlöffnung 305. In die Strahlöffnung 305 kann eine dielektrische Linsenplatte 306 eingesetzt werden, wodurch eine verringerte Bautiefe des Hornantennenelements ermöglicht wird.
4 zeigt die Abstrahlcharakteristik eines Hornantennenelements, das als Sendeantenne eingesetzt wird. Das Hornantennenelement 400 umfasst einen Hohlleiteranschluss 401, über den die elektromagnetische Leistung eingekoppelt wird, einen sich aufweitenden Wellenführungsbereich 402 sowie eine Strahlöffnung 403 zu Abstrahlung der Radarstrahlung. Die Strahlöffnung 403 ist im Wesentlichen als horizontaler Schlitz ausgebildet. Bei Verwendung des eingezeichneten Koordinatensystems ergibt sich daher, dass die Ausdehnung d_y der Strahlöffnung 403 in y-Richtung (also in Richtung senkrecht zur Stapelrichtung) relativ groß ist, während die Ausdehnung d_z in z-Richtung (also in Stapelrichtung) kleiner ist als die halbe Wellenlänge der Radarstrahlung. Für die sich ergebende Abstrahlcharakteristik der Hornantenne gilt Folgendes: Je größer die Apertur der Strahlöffnung in einer bestimmten Raumrichtung ist, desto stärker wird die abgestrahlte Strahlung in dieser Raumrichtung gebündelt. Wenn die Aperturöffnung in einer Raumrichtung dagegen sehr klein ist, dann wird die abgestrahlte Strahlung in der entsprechenden Raumrichtung nicht bzw. nur geringfügig gebündelt. Angewandt auf die in 4 gezeigte Hornantenne ergibt sich daher folgendes Bild: In y-Richtung ist die Ausdehnung d_y der Strahlöffnung 403 relativ groß, und insofern ist die abgestrahlte Strahlung in y-Richtung relativ stark gebündelt. In Bezug auf den Azimutwinkel φ wird die Radarstrahlung daher nur in einem relativ schmalen Winkelbereich Δφ senkrecht zur Strahlöffnung abgestrahlt. In Bezug auf den Azimutwinkel kommt es daher zur Ausprägung einer vergleichsweise schmalen Strahlungskeule. In z-Richtung dagegen ist die Ausdehnung d_z der Strahlöffnung 403 sehr gering, und deshalb kommt es in dieser Richtung nicht bzw. kaum zu einer Bündelung der abgestrahlten Radarstrahlung. In Bezug auf den Elevationswinkel θ kommt es daher nicht bzw. kaum zu einer Bündelung, daher ist der Bereich Δθ von Elevationswinkeln, innerhalb denen die Strahlung abgestrahlt wird, vergleichsweise groß, nämlich bis zu 180°. Daher wird die Radarstrahlung im Wesentlichen innerhalb einer vertikalen Halbebene 404 abgestrahlt, und zwar innerhalb eines relativ kleinen Bereichs Δφ von Azimutwinkeln. Wenn die Seitenwandungen 405, 406 der Hornantenne symmetrisch ausgelegt ist, dann wird die Radarstrahlung hauptsächlich beim Azimutwinkel φ = 90° abgestrahlt, so dass die Abstrahlebene 404 senkrecht auf der Strahlöffnung 403 steht.
Allerdings kann man durch eine geeignete Formgebung der Seitenwandungen 405, 406 des Horns sowie durch eine geeignete Formgebung der dielektrischen Linse den Azimutwinkel φ, bei dem die Abstrahlung hauptsächlich erfolgt, innerhalb eines weiten Bereichs einstellen. Dadurch lassen sich Hornantennenelemente herstellen, bei denen die Abstrahlebene 404 in einem vorgegebenen Azimutwinkel φ relativ zur Strahlöffnung 403 orientiert ist.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Antennenelemente des Antennenstapels als Hornantennenelemente ausgeführt. Hornantennen ermöglichen eine relativ breitbandige Abstrahlung von Radarfrequenzen. Wenn Radarsignale bei einer Radarfrequenz im Bereich von ca. 60 GHz bis 90 GHz abgestrahlt werden, dann ermöglichen Hornantennen eine Bandbreite der abgestrahlten Signale im Bereich von bis zu 40% der Radarfrequenz, also eine Bandbreite im Bereich von 20 GHz bis 30 GHz. Dies ist deutlich höher als die Bandbreite, die beispielsweise bei Verwendung von planaren Antennenstrukturen erzielt werden könnte. Die hohe Bandbreite ist insbesondere bei der Bestimmung von Entfernungen mittels Radar von Vorteil. Je größer die Bandbreite der abgestrahlten Strahlung ist, desto genauer lässt sich die Entfernung zum Radarziel auflösen. Wenn die Entfernung beispielsweise mittels einer Pulslaufzeitmethode bestimmt wird, dann umfasst das Fourier-Spektrum eines kurzen wohldefinierten Pulses ein vergleichsweise breites Spektrum von verschiedenen Frequenzen. Eine Hornantenne ist in der Lage, dieses breite Spektrum von verschiedenen Frequenzen abzustrahlen. Insofern kann mittels einer Hornantenne ein wohldefinierter kurzer Puls ausgesendet werden. Anhand der Laufzeit dieses Pulses vom Sender zum Radarziel und zurück zum Empfänger lässt sich dann die Entfernung des Radarziels ermitteln.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur gezeigt. Diese Antennenstruktur 500 umfasst zwei nebeneinander angeordnete Stapel 501, 502 von Antennenelementen. Der erste Stapel 501 umfasst eine Mehrzahl von übereinander gestapelten Hornantennenelementen 503, deren Strahlöffnungen 504 als übereinander angeordnete vertikale Schlitze an der Vorderseite des Antennenstapels 501 zu erkennen sind. Das oberste Hornantennenelement des ersten Stapels 501 wird nach oben hin durch eine Deckplatte 505 begrenzt. Der zweite Antennenstapel 502 umfasst die Hornantennenelemente 506, die relativ zu den benachbarten Hornantennenelementen 503 jeweils um eine halbe Höhe eines Antennenelements versetzt angeordnet sind. Daher sind die Strahlöffnungen 507 im zweiten Stapel 502 gegenüber den Strahlöffnungen 504 im ersten Stapel 501 versetzt angeordnet. Das oberste Hornantennenelement des zweiten Stapels 502 wird nach oben hin durch eine Abdeckplatte 508 begrenzt, und an der Unterseite des ersten Antennenstapels 501 ist zum Höhenausgleich zusätzlich eine Abstandsplatte 509 angeordnet.
Vorzugsweise entspricht die Höhe der Hornantennenelemente 503 und 506 etwa einer ganzen Wellenlänge der Radarstrahlung. Die in 5 gezeigten Hornantennenelemente 503 und 506 sind also etwa doppelt so hoch wie die in 1 gezeigten Hornantennenelemente. Allerdings sind in 5 die Hornantennenelemente 506 gegenüber den Hornantennenelementen 503 um eine halbe Wellenlänge der Radarfrequenz versetzt angeordnet. Dadurch wird genau wie bei der Ausführungsform von 1 erreicht, dass jeweils in Abständen von einer halben Wellenlänge der Radarstrahlung ein Hornantennenelement mit einer Strahlöffnung angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ein großes eindeutiges Gesichtsfeld der Winkelabbildung mittels des Prinzips der phasengesteuerter Gruppenantenne oder der digitalen Strahlformung realisiert werden.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist ein Hornantennenelement etwa doppelt so hoch wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, ohne dass die Abstrahlcharakteristik des Antennenarrays dadurch beeinträchtigt würde. Dies erleichtert die Realisierung der Hornantennenelemente insofern, als diese nun etwas größer dimensioniert werden können. Darüber hinaus wird durch die vergrößerten Dimensionen auch das Ein- bzw. Auskoppeln von elektromagnetischen Wellen in die Hohlleiteranschlüsse der Hornantennenelemente erleichtert.
In 6 sind zwei Hornantennenelemente 600, 601 des ersten Stapels 602 sowie ein versetzt dazu angeordnetes Hornantennenelement 603 des zweiten Antennenstapels 604 nochmals vergrößert gezeichnet. Zu erkennen sind die Strahlöffnungen 605, 606, 607, in denen jeweils dieelektrische Linsenplatten angeordnet sind. Bei den beiden Hornantennenelementen 601 und 603 sind außerdem die Seitenelemente 608 und 609 bzw. 610 und 611 zu erkennen, die die Innenkontur des Horns definieren. Die Hohlleiteranschlüsse 612, 613 sind jeweils an der rückwärtigen Seite der Antennenstapel 602, 604 angeordnet. Außerdem sind in 6 eine erste Abdeckplatte 614 für den ersten Antennenstapel 602 und eine zweite Abdeckplatte 615 für den zweiten Antennenstapel 604 eingezeichnet.
7 zeigt eine Darstellung der in 5 gezeigten Antennenstruktur 500 von der Rückseite aus. Der erste Antennenstapel 700 umfasst eine Vielzahl von Hornantennenelementen 701 mit zugehörigen Hohlleiteranschlüssen 702. Der zweite Antennenstapel 703 umfasst eine Vielzahl von Hornantennenelementen 704, die relativ zu den Hornantennenelementen 702 versetzt angeordnet sind. Die Hohlleiteranschlüsse 705 der Hornantennenelemente 704 sind an der Rückseite des Antennenstapels 703 angeordnet. Zum Einkoppeln der elektromagnetischen Leistung in die Hohlleiteranschlüsse 705 sind jeweils Mikrostreifenleitungszuführungen vorgesehen, die jeweils über einen Wellenleiterübergang mit einem zugeordneten Hohlleiteranschluss verbunden sind. Darüber hinaus ist eine an der Rückseite der Antennenstruktur angeordnete Schaltmatrix 706 gezeigt. Mittels dieser Schaltmatrix 706 lässt sich festlegen, welchen der Hornantennenelemente 704 über die zugehörige Mikrostreifenleitungszuführung elektromagnetische Leistung zugeführt werden soll. Mit Hilfe der Schaltmatrix 706 wird also festgelegt, welche der verschiedenen Hornantennenelemente 704 aktiv geschaltet werden. Zusätzlich kann auf der Schaltmatrix 706 auch ein Hochfrequenzsignalgenerator angeordnet sein, der die benötigten Hochfrequenzsignale zur Verfügung stellt.
Die anhand der 1–7 beschriebene Antennenstruktur eignet sich insbesondere dazu, das Gesichtsfeld einer Radarmessvorrichtung entsprechend einem Raster abzutasten und so eine abbildende Darstellung eines Radargesichtsfelds zu erstellen. Dabei weist jedes einzelne Hornantennenelement eine definierte Abstrahlcharakteristik entsprechend 4 auf, wobei die Radarstrahlung insbesondere in einer Abstrahlebene mit einem gewissen Neigungswinkel zur Normalen abgestrahlt wird. Für jedes Hornantennenelement kann die Winkellage der Abstrahlebene insbesondere durch geeignete Gestaltung der Innenkontur der Hornantenne und der Kontur der Linse variiert und festgelegt werden.
1. Abstrahlung in definierte Winkellagen des Elevationswinkels und Empfang in definierten Winkellagen des Azimutwinkels
In 8 ist ein Beispiel einer Radarmessanordnung zur abrasternden Erfassung eines Radargesichtsfelds gezeigt, bei der ein Sendeantennenarray 800 zum Aussenden der Radarstrahlung und ein Empfangsantennenarray 801 zum Empfangen von zurückreflektierter Radarstrahlung vorgesehen sind. Das Sendeantennenarray 800 ist in 8 mit ”TX” gekennzeichnet, während das Empfangsantennenarray 801 mit ”RX” gekennzeichnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den beiden Antennenarrays 800, 801 um erfindungsgemäße Antennenanordnungen, die aus einer Mehrzahl von stapelbaren Hornantennenelementen aufgebaut sind, wie dies in den 1 bis 7 gezeigt ist. Allerdings können anstelle der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen auch konventionelle Antennenanordnungen eingesetzt werden, um das in 8 gezeigte Messverfahren zu realisieren. Gemäß einer alternativen Ausführungsform bestehen die Antennenarrays 800, 801 aus einer Mehrzahl von konventionellen Hornantennen, die übereinander oder nebeneinander in geeignetem Abstand angeordnet sind.
Bei dem in 8 gezeigten Beispiel besteht das Sendeantennenarray 800 aus sechs nebeneinander angeordneten Hornantennenelementen 802–807, deren Abstrahlöffnungen als nebeneinander angeordnete vertikale Schlitze ausgebildet sind. Das erste Hornantennenelement 802 ist dazu ausgelegt, die Radarstrahlung in einer Abstrahlebene 808 abzustrahlen, die gegenüber der Normalen um einen Elevationswinkel θ1 verkippt ist. Eine derartige Abstrahlcharakteristik lässt sich durch eine geeignete Gestaltung der Innenkontur sowie der dielektrischen Linse des ersten Hornantennenelements 802 erreichen. Das zweite Hornantennenelement 803 ist dazu ausgelegt, die Strahlung in einer Abstrahlebene 809 abzustrahlen, die gegenüber der Normalen um den Winkel θ2 verkippt ist. Das dritte Hornantennenelement 804 strahlt in einer Abstrahlebene 810 ab, die entsprechend dem Elevationswinkel θ3 verkippt ist, das vierte Hornantennenelement 805 strahlt in einer um den Winkel θ4 verkippten Abstrahlebene 811 ab. Das fünfte Hornantennenelement 806 strahlt in einer Abstrahlebene 812 ab, die entsprechend dem Elevationswinkel θ5 verkippt ist, und das sechste Hornantennenelement 807 strahlt in einer um den Winkel θ6 verkippten Abstrahlebene 813 ab. Durch eine geeignete Ansteuerschaltung können die nebeneinander angeordneten Hornantennenelemente 802–807 nacheinander aktiv geschaltet werden. Indem die Hornantennenelemente 802–807 der Reihe nach durchgeschaltet werden, kann der Elevationswinkel der Abstrahlebene nacheinander von θ1 bis θ6 durchgeschaltet werden. Dadurch ist es möglich, das gesamte Gesichtsfeld der Radarmessvorrichtung von oben nach unten abzurastern bzw. durchzuscannen.
Wenn die ausgesandte Radarstrahlung dabei auf ein Zielobjekt 814 trifft, dann wird die Radarstrahlung am Zielobjekt 814 reflektiert. Die reflektierte Strahlung 815 kann dann vom Empfangsantennenarray 801 detektiert werden.
Bei dem in 8 gezeigten Beispiel ist das Empfangsantennenarray 801 aus sechs übereinander gestapelten Hornantennenelementen 816–821 aufgebaut. Dabei sind die Hornantennenelemente 816–821 des Empfangsantennenarrays 801 relativ zu den Hornantennenelementen 802–807 des Sendeantennenarrays 800 um 90° gedreht angeordnet. Im Sendeantennenarray 800 sind die Strahlöffnungen als vertikale Schlitze ausgebildet, wohingegen die Strahlöffnungen im Empfangsantennenarray 801 als horizontale Schlitze ausgebildet sind. Wie in 8 veranschaulicht ist, detektiert das erste Hornantennenelement 816 des Empfangsantennenarrays 801 nur diejenige Strahlung, die in der Empfangsebene 822 unter dem Azimutwinkel φ1 auf dem Hornantennenelement 816 eintrifft. Dies kann wieder durch eine entsprechende Formgebung der Innenkontur sowie der dielektrischen Linse der Hornantenne 816 geschehen. Die Empfangscharakteristik des zweiten Hornantennenelements 817 ist durch die Empfangsebene 823 festgelegt, die um einen Azimutwinkel φ2 relativ zur Normalen verkippt ist. Insofern wird von dem zweiten Hornantennenelement 817 nur diejenige Strahlung empfangen, die etwa unter einem Azimutwinkel φ2 auf dem Hornantennenelement eintrifft. Das dritte Hornantennenelement 818 empfängt Strahlung aus der Empfangsebene 824, die relativ zur Normalen um den Azimutwinkel φ3 verkippt ist. Die anderen Hornantennenelemente 819, 820, 821 empfangen jeweils Strahlung aus den Empfangsebenen 825, 826, 827, die um den Azimutwinkel φ4 bzw. φ5 bzw. φ6 verkippt sind.
Zur Auswertung der empfangenen Strahlung gibt es zwei Möglichkeiten. Entsprechend einer ersten Möglichkeit werden die von den Hornantennenelementen 816–821 empfangenen Signalintensitäten parallel ausgewertet, so dass der gesamte Azimutwinkelbereich von φ1 bis φ6 simultan erfasst und ausgewertet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte Azimutwinkelbereich gleichzeitig ausgewertet werden kann. Zur parallelen Auswertung der empfangenen Signalintensitäten der Hornantennenelemente 816–821 sind allerdings sechs separate Empfangs- und Auswertungskanäle erforderlich.
Gemäß einer zweiten Möglichkeit werden die einzelnen Hornantennenelemente 816–821 nacheinander zu einer einzigen Empfangs- und Auswerteeinheit durchgeschaltet, die die Intensität der vom einzelnen Hornantennenelement empfangenen Strahlung auswertet. Dies entspricht einem schrittweisen Durchschalten des Azimutwinkels der Empfangsebene von φ1 bis φ6, um die Empfangssignalintensität in der jeweiligen Empfangsebene zu bestimmen. Auch auf diese Weise kann nacheinander das gesamte Gesichtsfeld bezüglich des Azimutwinkels durchgerastert werden.
In 9 ist veranschaulicht, wie das Abrastern des Radargesichtsfelds durchgeführt wird. Entlang der Rechtsachse ist der Azimutwinkel φ aufgetragen, und entlang der Hochachse ist der Elevationswinkel θ aufgetragen. Zunächst ist das in 8 gezeigte Hornantennenelement 802 aktiv, das die Strahlung in eine um den Winkel θ1 verkippte Abstrahlebene 808 abstrahlt. In 9 ist dieser Abstrahlbereich beim Winkel θ1 als Bereich 900 eingezeichnet. Auf Seiten des Empfangsantennenarrays 801 wird die zurück reflektierte Strahlung zunächst durch das Hornantennenelement 816 empfangen, dessen Empfangsebene um den Winkel φ1 zur Normalen verkippt ist. Dieser Empfangsbereich des Hornantennenelements 816 ist in 9 als Bereich 901 eingezeichnet. Wenn das Sendeantennenarray 800 unter dem Elevationswinkel θ1 abstrahlt und das Empfangsantennenarray 801 unter dem Azimutwinkel φ1 empfängt, dann ergibt sich nur dann eine Empfangssignalamplitude, wenn sich im Radargesichtsfeld beim Winkelpaar φ1, θ1 ein reflektierendes Objekt befindet. Der Bereich 903 beim Winkelpaar φ1, θ1 entspricht dabei dem Überlapp zwischen dem Bereich 900, in dem das Sendeantennenarray 800 abstrahlt, und dem Bereich 901, in dem das Empfangsantennenarray 801 Strahlung empfängt. Nachdem das Empfangssignal für das Winkelpaar φ1, θ1 ausgewertet wurde, wird im Empfangsantennenarray 801 vom Hornantennenelement 816 zum Hornantennenelement 817 weiter geschaltet, das die Radarstrahlung unter einem Azimutwinkel φ2 empfängt. Der Empfangsbereich des Hornantennenelements 817 beim Azimutwinkel φ2 ist in 9 als Bereich 904 eingezeichnet. In dieser Schaltposition kann ausgewertet werden, ob sich im Bereich 905 beim Winkelpaar φ2, θ1 ein reflektierendes Radarobjekt empfindet. Anschließend werden nacheinander die Hornantennenelemente 818–821 bei den Azimutwinkeln φ3, φ4, φ5, φ6 aktiv geschaltet, um die reflektierte Intensität in den Bereichen 906, 907, 908, 909 zu erfassen. Nachdem dies geschehen ist, wird im Sendeantennenarray 800 vom Hornantennenelement 802 zum Hornantennenelement 803 weiter geschaltet. Dieses Hornantennenelement 803 strahlt in einer Abstrahlebene 809 ab, die um den Winkel θ2 relativ zur Normalen verkippt ist. Der Abstrahlbereich des zweiten Hornantennenelements 803 ist in 9 als Bereich 910 eingezeichnet. Jetzt kann durch Durchschalten der Hornantennenelemente 816–821 des Empfangsantennenarrays 801 die reflektierte Intensität in den Bereichen 911–916 erfasst werden. Auf diese Weise kann nacheinander das gesamte Radargesichtsfeld abgerastert werden, bis hin zum Bereich 917 beim Winkelpaar φ6, θ6.
Bei den soeben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind jeweils zu einem Hornantennenelement des Sendeantennenarrays 800 sämtliche Hornantennenelemente des Empfangsantennenarrays 801 durchgeschaltet worden, bevor zur nächsten Hornantenne des Sendeantennenarrays 800 weiter geschaltet wurde. Allerdings kann das Durchschalten der Sende- und Empfangsantennenelemente auch in einer anderen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise könnten gemäß einer alternativen Ausführungsform zu jedem Hornantennenelement des Empfangsantennenarrays 801 nacheinander die sechs Hornantennenelemente 802–807 des Sendeantennenarrays 800 aktiv geschaltet werden.
Das in 8 und 9 schematisch dargestellte Messverfahren kann auf vorteilhafte Weise mit Verfahren zur Entfernungsmessung verknüpft werden. Beispielsweise kann das Abrastern des Radargesichtsfeldes mit einer Pulslaufzeitmessung oder mit FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) Radar verbunden werden, um zu jedem Rasterpunkt auch die Entfernung zum jeweiligen Radarziel zu erfassen. Darüber hinaus kann das Abrastern des Radargesichtsfeldes mit Dopplerradarverfahren verbunden werden, um zu jedem Rasterpunkt auch die Bewegung des jeweiligen Radarziels zu erfassen.
In 10A und 10B sind zwei Ausführungsformen einer Antennenanordnung gezeigt, mit der sich das in 8 und 9 schematisch dargestellte Messprinzip technologisch vorteilhaft umsetzen lässt. Bei der in 10A gezeigten Ausführungsform ist im zentralen Bereich der Antennenanordnung ein Sendeantennenstapel 1000 vorgesehen, der mit „TX” gekennzeichnet ist. Der Sendeantennenstapel 1000 umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander gestapelten Hornantennenelementen 1001, wobei jedes Hornantennenelement 1001 eine in Form eines vertikalen Schlitzes ausgebildete Strahlöffnung 1002 aufweist. Oberhalb des Sendeantennenstapels 1000 ist ein erster Empfangsantennenstapel 1003 angeordnet, der mehrere aufeinander gestapelte Hornantennenelemente 1004 mit Strahlöffnungen 1005 umfasst. Unterhalb des Sendeantennenstapels 1000 ist ein zweiter Empfangsantennenstapel 1006 angeordnet, der mehrere übereinander gestapelte Hornantennenelemente 1007 mit zugehörigen Strahlöffnungen 1008 umfasst. Durch die Aufteilung des Empfangsantennenstapels in einen ersten Empfangsantennenstapel 1003 oberhalb des Sendeantennenstapels 1000 und einen zweiten Empfangsantennenstapel 1006 unterhalb des Sendeantennenstapels 1000 wird ein symmetrischer und kompakter Aufbau des abbildenden Radarsensors erzielt.
In 10B ist eine zweite Ausführungsform einer Antennenanordnung gezeigt, mit der sich das in 8 und 9 beschriebene Verfahren technologisch vorteilhaft verwirklichen lässt. Die in 10B gezeigte Antennenanordnung umfasst einen Empfangsantennenstapel 1010, der mit „RX” bezeichnet ist. Der Empfangsantennenstapel 1010 ist aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Hornantennenelementen 1011 aufgebaut, wobei jedes der Hornantennenelemente 1011 eine zugehörige Strahlöffnung 1012 aufweist. Oberhalb des Empfangsantennenstapels 1010 ist ein erster Sendeantennenstapel 1013 angeordnet, der eine Mehrzahl von nebeneinander gestapelten Hornantennenelementen 1014 mit vertikalen Abstrahlöffnungen umfasst. Unterhalb des Empfangsantennenarrays 1010 ist ein zweiter Sendeantennenstapel 1015 angeordnet, der ebenfalls eine Mehrzahl von nebeneinander gestapelten Hornantennenelementen 1016 mit vertikalen Abstrahlöffnungen umfasst. Die beiden Sendeantennenstapel 1013, 1015 sind in 10B mit „TX” bezeichnet.
Jedem Hornantennenelement des oberen Sendeantennenstapels 1013 ist ein zugehöriges Hornantennenelement des unteren Sendeantennenstapels 1015 zugeordnet. Ein Paar von Hornantennenelementen, das aus einem Hornantennenelement des oberen Sendeantennenstapels 1013 und einem Hornantennenelement des unteren Sendeantennenstapels 1015 besteht, wirkt als Gruppenantennenanordnung. Die Abstrahlcharakteristik dieser Gruppenantennenanordnung entspricht der Abstrahlcharakteristik eines einzelnen Hornantennenelements mit einer vergrößerten Apertur, die deutlich größer ist als die Apertur der Strahlöffnung der einzelnen Hornantennenelemente 1014 und 1016 der Sendeantennenstapel. Durch diese hohe Apertur wird eine starke Bündelung der abgestrahlten Strahlung erzielt.
11 zeigt eine Einsatzmöglichkeit für einen abbildenden Radarsensor, bei der der Radarsensor 1100 zur Bestimmung des Volumens eines aufgeschütteten Haufens von Schüttgut 1101 eingesetzt wird. Dabei wird der Haufen von Schüttgut 1101 mittels des in 8 und 9 dargestellten Verfahrens entsprechend einem vorgegebenen Raster 1102 durch die Radarstrahlung abgerastert, wobei an jedem der Stützpunkte 1103, 1104, 1105, etc. der Abstand zwischen dem Radarsensor 1100 und dem Schüttgut ermittelt wird. Diese Abstandsbestimmung kann beispielsweise mittels einer Pulslaufzeitmessung oder mittels FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) bestimmt werden. Aus den so ermittelten Abstandswerten für die einzelnen Rasterpunkte lässt sich dann mit Hilfe eines rechnerischen Modells die Kontur sowie das Volumen des Haufens von Schüttgut 1101 bestimmen. Dadurch ist es möglich, einen beliebig vorgegebenen Schüttguthaufen in kurzer Zeit zu vermessen.
Zur Erfassung von Schüttgutmengen könnte ein abbildender Radarsensor über einer rechteckigen oder sektorförmigen Lagerstätte fest installiert werden, um die aktuell vorhandene Menge an Schüttgut zu erfassen. Ein abbildender Radarsensor wäre darüber hinaus dazu geeignet, in einem Silo die jeweilige Füllmenge im Silo zu erfassen und zu verfolgen. Darüber hinaus könnte der Radarsensor beispielsweise auch dazu verwendet werden, die von einem Förderband transportierte Menge an Schüttgut zu erfassen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit wäre, den Radarsensor beispielsweise auf einem Laufkran zu installieren, damit aus dieser Position heraus die zu transportierenden Güter erfasst werden können.
2. Abstrahlung in definierte Winkelbereiche und Auswertung der empfangenen Strahlung mittels einer Gruppenantennenanordnung, die die Richtung der empfangenen Strahlung anhand der Phasenlage ermittelt
In 12 ist eine weitere Ausführungsform einer Radarmessvorrichtung gezeigt. Die Radarmessvorrichtung umfasst ein Sendeantennenarray 1200 sowie ein Empfangsantennenarray 1201, wobei das Sendeantennenarray 1200 in seiner Funktionsweise dem in 8 gezeigten Sendeantennenarray 800 entspricht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den beiden Antennenarrays 1200, 1201 um erfindungsgemäße Antennenanordnungen, die aus einer Mehrzahl von stapelbaren Hornantennenelementen aufgebaut sind, wie dies in den 1 bis 7 gezeigt ist. Allerdings können anstelle der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen auch konventionelle Antennenanordnungen eingesetzt werden, um das in 12 gezeigte Messverfahren zu realisieren. Gemäß einer alternativen Ausführungsform bestehen die Antennenarrays 1200, 1201 aus einer Mehrzahl von konventionellen Hornantennen, die übereinander oder nebeneinander in geeignetem Abstand angeordnet sind.
Jedes der Hornantennenelemente 1202–1207 ist dazu ausgelegt, Radarstrahlung in einer definierten Abstrahlebene abzustrahlen, die um einen bestimmten Elevationswinkel θ zur Normalen verkippt ist. Dementsprechend strahlen die Hornantennenelemente 1202–1207 jeweils in eine zugeordnete Abstrahlebene 1208–1213 ab.
Wenn die Strahlung von einer der Abstrahlebenen 1208–1213 auf einem Radarobjekt 1214 einfällt, dann wird die Strahlung an dem Radarobjekt 1214 zurückreflektiert. Ein Teil der reflektierten Strahlung 1215 wird vom Empfangsantennenarray 1201 empfangen.
Das in 12 gezeigte Empfangsantennenarray 1201 umfasst sechs nebeneinander angeordnete Hornantennenelemente 1216–1221, deren Strahlöffnungen als nebeneinander angeordnete vertikale Schlitze ausgebildet sind. Im Unterschied zu dem in 8 gezeigten Empfangsantennenarray 801 sind die Hornantennenelemente 1216–1221 in der gleichen Richtung orientiert wie die Hornantennenelemente 1202–1207 des Sendeantennenarrays 1200, und nicht wie in 8 um 90° verdreht. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Apertur 1222 der Strahlöffnung bei den Hornantennenelementen 1216–1221 deutlich kleiner ist als die Apertur 1223 der Strahlöffnung bei den Hornantennenelementen 1202–1207. Durch diese kleinere Apertur 1222 ist die Winkelcharakteristik des Empfangsbereichs nicht auf einen schmalen Winkelbereich begrenzt, sondern umfasst einen weiten Winkelbereich. Hierzu ist in 12 zu jedem der Hornantennenelemente 1216–1221 ein zugehöriger Empfangswinkelbereich 1224–1229 mit eingezeichnet.
Das Empfangsantennenarray 1201 ist insbesondere dazu ausgebildet, den Azimutwinkel φ der zurück reflektierten Strahlung 1215 zu ermitteln. Anders als bei dem in 8 gezeigten Empfangsantennenarray 801 wird der Azimutwinkel im Empfangsantennenarray 1201 ermittelt, indem die Phasenlage der auf den einzelnen Hornantennenelementen 1216–1221 eintreffenden Radarstrahlung ausgewertet wird. Anhand der Phasenbeziehung der von den einzelnen Hornantennenelementen 1216–1221 empfangenen Strahlung kann dann der Einfallswinkel dieser Strahlung ermittelt werden.
Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform erfasst jedes der Hornantennenelemente 1216–1221 die Amplitude und die Phase der eintreffenden Radarstrahlung. Die so erhaltenen Empfangssignale werden dann einem zugeordneten Phasenverzögerungsglied 1230–1235 zugeführt, welche den Empfangssignalen jeweils eine individuelle Phasenverzögerung aufprägen. Die Phasenverzögerungen der Phasenverzögerungsglieder 1230–1235 können dabei für jedes Empfangssignal individuell eingestellt werden. In der Überlagerungseinheit 1236 werden die phasenverzögerten Signale überlagert. Nur bei phasenrichtiger Überlagerung der phasenüberzögerten Empfangssignale erhält man am Ausgang ein Überlagerungssignal 1237 von nennenswerter Signalamplitude.
Bei dieser Anordnung erhält man genau dann ein nennenswertes Überlagerungssignal 1237, wenn der Phasengradient, der durch den Azimutwinkel φ der empfangenen Strahlung verursacht wird, genau durch die Phasenprogression kompensiert wird, die den Empfangssignalen durch die Phasenverzögerungsglieder 1230–1235 aufgeprägt wird. Zum Ermitteln der passenden Phasenbeziehungen werden den Empfangssignalen durch geeignet eingestellte Phasenverzögerungsglieder 1230–1235 nacheinander unterschiedliche Phasenprogressionen aufgeprägt, bis man ein Überlagerungssignal 1237 von nennenswerter Signalamplitude erhält. Dann ist die geeignete Phaseneinstellung der Phasenverzögerungsglieder gefunden. Diese Phaseneinstellung der Phasenverzögerungsglieder erlaubt unmittelbar einen Rückschluss auf den Azimutwinkel φ der reflektierten Strahlung 1215, unter dem die reflektierte Strahlung auf dem Empfangsantennenarray 1201 auftrifft.
Die in 12 gezeigte Messanordnung erlaubt ein Durchrastern von Azimutwinkel φ und Elevationswinkel θ und ermöglicht so eine abbildende Darstellung eines Radargesichtsfelds. Eine derartige Messanordnung kann beispielsweise zur Vermessung von Schüttgut eingesetzt werden, wie in 11 gezeigt.
In 13 ist ein einstellbares Phasenverzögerungsglied dargestellt, welches bei der in 12 gezeigten Ausführungsform zum Aufprägen unterschiedlicher Phasenkorrelationen verwendet werden kann. Ein Phasenverzögerungsglied kann aus einer beliebigen Anzahl an Stufen aufgebaut sein, wobei auf jeder Stufe zwischen zwei verschiedenen Signalwegen umgeschaltet werden kann. Das in 13 gezeigte Phasenverzögerungsglied umfasst drei Stufen 1300–1302. Die erste Stufe 1300 umfasst zwei Hochfrequenzschalter 1303 und 1304, mit denen zwischen einem kürzeren Signalweg 1305 und einem längeren Signalweg 1306 umgeschaltet werden kann. Als Hochfrequenzschalter können beispielsweise PIN-Dioden oder MEMS-Schalter verwendet werden. Wenn der längere Signalweg 1306 in den Signalpfad eingeschleift wird, bewirkt dies eine zusätzliche Phasenverschiebung des Signals.
Die zweite Stufe 1301 des Phasenschiebers umfasst zwei Hochfrequenzschalter 1307 und 1308, mit denen zwischen einem kürzeren Signalweg 1309 und einem längeren Signalweg 1310 umgeschaltet werden kann. Die dritte Stufe 1302 des Phasenschiebers umfasst ebenfalls zwei Hochfrequenzschalter 1311, 1312, mit denen zwischen einem kürzeren Signalweg 1313 und einem längeren Signalweg 1314 umgeschaltet werden kann.
Mit Hilfe der Hochfrequenzschalter können wahlweise zusätzliche Verzögerungsglieder in den Signalpfad eingeschleift oder wieder heraus genommen werden. Die Abstufung der Verzögerungssignalwege 1306, 1310, 1314 erfolgt zweckmäßig in Zweierpotenzen. Dadurch kann die sich insgesamt ergebende Phasenverzögerung genau eingestellt werden.
3. Abstrahlung in definierte Abstrahlebenen, Auswertung mittels Digital Beam Forming (DBF, Digitale Strahlformung)
In 14 ist eine weitere Ausführungsform einer Radarmessvorrichtung gezeigt, die dazu ausgelegt ist, ein Radargesichtsfeld abzutasten und abzubilden. Die Radarmessvorrichtung umfasst ein Sendeantennenarray 1400 sowie ein Empfangsantennenarray 1401.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den beiden Antennenarrays 1400, 1401 um erfindungsgemäße Antennenanordnungen, die aus einer Mehrzahl von stapelbaren Hornantennenelementen aufgebaut sind, wie dies in den 1 bis 7 gezeigt ist. Allerdings können anstelle der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen auch konventionelle Antennenanordnungen eingesetzt werden, um das in 14 gezeigte Messverfahren zu realisieren. Gemäß einer alternativen Ausführungsform bestehen die Antennenarrays 1400, 1401 aus einer Mehrzahl von konventionellen Hornantennen, die übereinander oder nebeneinander in geeignetem Abstand angeordnet sind.
Das in 14 gezeigte Sendeantennenarray 1400 umfasst sechs nebeneinander angeordnete Hornantennenelementen 1402–1407. Jedes der Hornantennenelemente 1402–1407 strahlt Radarstrahlung in eine zugeordnete Abstrahlebene 1408–1413 ab. Daher kann durch sequentielles Durchschalten der Hornantennenelemente 1402–1407 der Winkel θ, um den die Abstrahlebene zur Normalen geneigt ist, von θ1 bis θ6 variiert werden, um auf diese Weise das Gesichtsfeld abzutasten. Sobald die ausgesendete Strahlung auf ein Radarziel 1414 trifft, wird die Radarstrahlung am Radarziel 1414 reflektiert, und die reflektierte Strahlung 1415 kann zum Empfangsantennenarray 1401 gelangen.
Das Empfangsantennenarray 1401 entspricht dem in 12 gezeigten Empfangsantennenarray 1201 und umfasst sechs nebeneinander angeordnete Hornantennenelemente 1416–1421, deren Strahlöffnungen in der gleichen Richtung orientiert sind wie die Strahlöffnungen im Sendeantennenarray 1400. Die Apertur der Strahlöffnungen des Empfangsantennenarrays 1401 ist deutlich kleiner als die Apertur der Strahlöffnungen des Sendeantennenarrays 1400, und deshalb ist der den einzelnen Hornantennenelementen 1416–1421 zugeordnete Empfangswinkelbereich relativ groß, so dass die zurückreflektierte Strahlung 1415 innerhalb eines relativ breiten Bereichs von Elevationswinkeln von den Hornantennenelementen 1416–1421 detektiert werden kann.
Zur Auswertung des Azimutwinkels φ der zurückreflektierten Strahlung 1415 werden die von den einzelnen Hornantennenelementen 1416–1421 detektierten Empfangssignale 1422–1427 einer Auswerteeinheit 1428 zugeführt, die die Phase und Amplitude der Empfangssignale 1422–1427 detektiert. Die Empfangssignale 1422–1427 können entweder parallel oder sequentiell ausgewertet werden. Für die weitere Auswertung stehen der Auswerteeinheit 1428 nun die Phasen und Amplituden der Empfangssignale für unterschiedliche Signalwege zur Verfügung. Anhand dieser Ausgangsdaten kann nun rechnerisch mittels „Digital Beam Forming” bzw. „Digitaler Strahlformung” berechnet werden, unter welchem Azimutwinkel φ relativ zum Empfangsantennenarray 1401 sich das Zielobjekt 1414 befindet. Anstatt die Phasenauswertung mittels einer Überlagerung von phasenverzögerten Signalen zu erzeugen, wird die Phasenauswertung bei dem in 14 gezeigten Beispiel also rein rechnerisch mit Hilfe des „Digital Beam Forming” vorgenommen.
Die in 14 gezeigte Messanordnung erlaubt eine Erfassung des Empfangssignals in Abhängigkeit von Azimutwinkel φ und Elevationswinkel θ und ermöglicht so eine abbildende Darstellung eines Radargesichtsfelds. Eine derartige Messanordnung kann beispielsweise zur Vermessung von Schüttgut eingesetzt werden, wie in 11 gezeigt.
In 15 ist eine technologisch vorteilhafte Implementierung einer Radarmessvorrichtung gezeigt, die sich insbesondere für die in 12 und 14 dargestellten Verfahren eignet. Bei der in 15 gezeigten Ausführungsform ist das Sendeantennenarray 1500 als erfindungsgemäßer Hornantennenstapel realisiert, welcher eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten Hornantennenelementen 1501 umfasst. Dabei strahlt jedes der Hornantennenelemente 1501 in eine andere Abstrahlebene ab, die relativ zur Normalen um einen bestimmten Azimutwinkel verkippt ist. Auf diese Weise können nacheinander unterschiedliche Azimutwinkel durchgerastert werden. Das Empfangsantennenarray 1502 umfasst zwei Stapel 1503, 1504 von aufeinander gestapelten Hornantennenelementen 1505, 1506. Die von den einzelnen Hornantennenelementen 1505, 1506 detektierten Empfangssignale weisen eine Phasenprogression auf, die von der Einfallsrichtung der zurückreflektierten Strahlung abhängt. Indem die Phasenlage entweder mit Hilfe einstellbarer Phasenverzögerungsglieder oder aber rechnerisch mittels Digital Beam Forming bestimmt wird, kann der Elevationswinkel θ, unter dem die zurückreflektierte Strahlung auf dem Empfangsantennenarray 1502 eintrifft, bestimmt werden.
4. Festlegen des Abstrahlwinkels über die Phasenkorrelation der abgestrahlten Signale und Auswerten des zurückreflektierten Signals in definierten Empfangswinkelebenen
In 16 ist eine weitere Ausführungsform einer Radarmessvorrichtung gezeigt, welche ein Sendeantennenarray 1600 und ein Empfangsantennenarray 1601 umfasst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den beiden Antennenarrays 1600, 1601 um erfindungsgemäße Antennenanordnungen, die aus einer Mehrzahl von stapelbaren Hornantennenelementen aufgebaut sind, wie dies in den 1 bis 7 gezeigt ist. Allerdings können anstelle der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen auch konventionelle Antennenanordnungen eingesetzt werden, um das in 16 gezeigte Messverfahren zu realisieren. Gemäß einer alternativen Ausführungsform bestehen die Antennenarrays 1600, 1601 aus einer Mehrzahl von konventionellen Hornantennen, die übereinander oder nebeneinander in geeignetem Abstand angeordnet sind.
Das Sendeantennenarray 1600 besteht aus sechs nebeneinander angeordneten Hornantennenelementen 1602–1607, die dazu ausgelegt sind, in einem relativ weiten Bereich von Elevationswinkeln θ Radarstrahlung auszusenden. Zur Veranschaulichung der Abstrahlcharakteristik ist zu jedem der Hornantennenelemente 1602–1607 eine zugehörige Abstrahlcharakteristik 1608–1613 mit eingezeichnet. Zur Erzeugung der Sendesignale für die einzelnen Hornantennenelemente 1602–1607 wird ein Hochfrequenzsignal 1614 einer Mehrzahl von einstellbaren Phasenverzögerungsgliedern 1615–1620 zugeführt, und die unterschiedlich phasenverzögerten Signale werden dann den einzelnen Hornantennenelementen 1602–1607 zugeführt. Mit Hilfe der Phasenverzögerungsglieder 1615–1620 kann den abgestrahlten Signalen eine einstellbare Phasenprogression aufgeprägt werden. Durch diese Phasenprogression wird festgelegt, in welchen Raumrichtungen sich die abgestrahlten Signale konstruktiv überlagern. Insbesondere wird durch die aufgeprägte Phasenprogression die Hauptabstrahlrichtung 1621 festgelegt. Durch geeignete Wahl der aufgeprägten Phasenprogression kann der Azimutwinkel φ der abgestrahlten Strahlung innerhalb eines weiten Bereichs frei eingestellt werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Azimutwinkel φ durchzurastern, indem mittels der einstellbaren Phasenverzögerungsglieder 1615–1620 nacheinander unterschiedliche Phasenprogressionen aufgeprägt werden.
Wenn sich in Richtung des Azimutwinkels φ ein Radarziel 1622 befindet, wird die Radarstrahlung am Radarziel 1622 reflektiert, und das zurückreflektierte Radarsignal 1623 kann zum Empfangsantennenarray 1601 gelangen. Das Empfangsantennenarray 1601 umfasst sechs nebeneinander angeordnete Hornantennenelemente 1624–1629, deren Strahlöffnungen in derselben Richtung orientiert sind wie die Strahlöffnungen der Hornantennenelemente 1602–1607. Da die Apertur der Hornantennenelemente 1624–1629 relativ groß ist, empfangen die Hornantennenelemente 1624–1629 Radarstrahlung nur innerhalb einer schmalen Empfangsebene, die relativ zur Normalen um einen definierten Elevationswinkel θ verkippt ist. Auf diese Weise sind den Hornantennenelementen 1624–1629 die zugehörigen Empfangsebenen 1630–1635 zugeordnet. Mit Hilfe der Hornantennenelemente 1624–1629 kann ermittelt werden, unter welchem Elevationswinkel θ die zurückreflektierte Radarstrahlung 1623 auf dem Empfangsantennenarray 1601 einfällt. Hierzu können die Hornantennenelemente 1624–1629 entweder gleichzeitig aktiv sein, oder aber sequentiell durchgeschaltet werden. Die in 16 gezeigte Messanordnung erlaubt ein Durchrastern von Azimutwinkel φ und Elevationswinkel θ und ermöglicht so eine abbildende Darstellung eines Radargesichtsfelds. Eine derartige Messanordnung kann beispielsweise zur Vermessung von Schüttgut eingesetzt werden, wie in 11 gezeigt.
5. Bestimmen des Abstrahlwinkels mittels Digitaler Strahlformung (Digital Beam Forming) und Empfangen der zurückreflektierten Strahlung in definierten Empfangswinkelebenen
In 17 ist eine weitere Ausführungsform einer Radarmessvorrichtung gezeigt, welche ein Sendeantennenarray 1700 sowie ein Empfangsantennenarray 1701 umfasst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den beiden Antennenarrays 1700, 1701 um erfindungsgemäße Antennenanordnungen, die aus einer Mehrzahl von stapelbaren Hornantennenelementen aufgebaut sind, wie dies in den 1 bis 7 gezeigt ist. Allerdings können anstelle der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen auch konventionelle Antennenanordnungen eingesetzt werden, um das in 17 gezeigte Messverfahren zu realisieren. Gemäß einer alternativen Ausführungsform bestehen die Antennenarrays 1700, 1701 aus einer Mehrzahl von konventionellen Hornantennen, die übereinander oder nebeneinander in geeignetem Abstand angeordnet sind.
Das Sendeantennenarray 1700 besteht aus sechs nebeneinander angeordneten Hornantennenelementen 1702–1707, die jeweils dazu ausgelegt sind, in einem relativ breiten Bereich von Elevationswinkeln Radarstrahlung abzustrahlen. Die zu den einzelnen Hornantennenelementen 1702–1707 gehörigen Abstrahlcharakteristiken 1708–1713 sind in 17 ebenfalls dargestellt. Mittels einer Ansteuerschaltung 1714 können die einzelnen Hornantennenelemente 1702–1707 nacheinander einzeln aktiv geschaltet werden. Die abgestrahlte Radarstrahlung wird am Radarziel 1715 reflektiert, und die reflektierte Strahlung 1716 gelangt zum Empfangsantennenarray 1701. Das Empfangsantennenarray 1701 umfasst sechs nebeneinander angeordnete Hornantennenelemente 1717–1722, die jeweils Radarstrahlung aus einer bestimmten Empfangsebene empfangen. Die zu den Hornantennenelementen 1717–1722 gehörigen Empfangsebenen 1723–1728 sind in 17 ebenfalls mit eingezeichnet. Indem die Empfangssignale der Hornantennenelemente 1717–1722 entweder parallel oder sequentiell ausgewertet werden, kann der Elevationswinkel θ der zurückreflektierten Strahlung 1716 bestimmt werden. Darüber hinaus können während des Empfangs der zurückreflektierten Strahlung 1716 die Hornantennenelemente 1702–1707 nacheinander aktiv geschaltet werden. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Signalwege vom Sendeantennenarray 1700 zum Radarziel 1715 und zurück zum Empfangsantennenarray 1701. Auf Seiten des Empfangsantennenarrays 1701 wird nun ausgewertet, wie Amplitude und Phase der von den Hornantennenelementen 1717–1722 empfangenen Signale vom jeweiligen Signalweg abhängen. Insofern werden die Hornantennenelemente 1702–1707 auf Seiten des Sendeantennenarrays 1700 nacheinander aktiv geschaltet, und die zugehörigen Amplituden und Phasen der Empfangssignale werden aufgezeichnet. Anschließend werden die für die unterschiedlichen Signalwege erfassten Amplituden und Phasen rechnerisch mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet. Diese Auswertung erfolgt mittels „Digital Beam Forming” bzw. „Digitaler Strahlformung”. Aus der Art und Weise, wie Amplitude und Phase des Empfangssignals vom jeweiligen Signalweg abhängen, kann dann beispielsweise auch der Azimutwinkel φ des Radarziels 1715 bestimmt werden. Insgesamt ermöglicht die Verbindung von „Digital Beam Forming” auf Senderseite und einem Durchschalten der Empfangsebenen auf Empfängerseite eine Abrasterung des Radargesichtsfeldes.
Die in 17 gezeigte Messanordnung erlaubt eine Erfassung des Empfangssignals in Abhängigkeit von Azimutwinkel φ und Elevationswinkel θ und ermöglicht so eine abbildende Darstellung eines Radargesichtsfelds. Eine derartige Messanordnung kann beispielsweise zur Vermessung von Schüttgut eingesetzt werden, wie in 11 gezeigt.

Claims

Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes mittels einer Radarmessanordnung, welche aufweist: eine Sendeantennenanordnung (1200, 1400) mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen (1202–1207, 1402–1407); eine Empfangsantennenanordnung (1201, 1401) mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen (1216–1221, 1416–1421); dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Hornantennenelemente der Sendeantennenanordnung (1200, 1400) so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement Radarstrahlung in einer anderen Abstrahlebene (1208–1213, 1408–1413) abstrahlt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition der ersten Winkelkoordinate verkippt ist, dass die zweiten Hornantennenelemente der Empfangsantennenanordnung (1201, 1401) so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement (1216–1221, 1416–1421) Radarstrahlung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs der zweiten Winkelkoordinate empfängt, und dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abstrahlen von Radarstrahlung durch die Sendeantennenanordnung (1200, 1400), wobei die Abstrahlung auf Senderseite bezüglich der ersten Winkelkoordinate nacheinander zwischen unterschiedlichen Abstrahlebenen (1208–1213, 1408–1413) durchgeschaltet wird, Empfangen von an Radarzielen (1214, 1414) zurückreflektierten Empfangssignalen durch die Empfangsantennenanordnung (1201, 1401), Bestimmen der zweiten Winkelkoordinate, unter der die Empfangssignale auf der Empfangsantennenanordnung (1201, 1401) eintreffen, anhand einer Phasenprogression der Empfangssignale oder durch rechnerisches Auswerten verschiedener Ausbreitungswege mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming, und Erzeugen eines zweidimensionalen Abbilds des Radargesichtsfelds anhand der für die verschiedenen Werte der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate erhaltenen Empfangssignale.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: die erste Winkelkoordinate ist zur zweiten Winkelkoordinate orthogonal; Strahlöffnungen der ersten Hornantennenelemente sind in gleicher Richtung ausgerichtet wie Strahlöffnungen der zweiten Hornantennenelemente; die den ersten Hornantennenelementen zugeordneten Abstrahlebenen sind um jeweils unterschiedliche Winkelpositionen relativ zur Normalen verkippt; das Verfahren ist durch eine Kombination von unterschiedlichen Abstrahlebenen einerseits und einem Einsatz von Digital Beam Forming oder phasengesteuerten Gruppenantennen andererseits gekennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: bei der ersten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Azimutwinkel und bei der zweiten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Elevationswinkel; bei der ersten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Elevationswinkel und bei der zweiten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Azimutwinkel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Empfangen der an den Radarzielen reflektierten Empfangssignale durch die zweiten Hornantennenelemente der Empfangsantennenanordnung, Bestimmen der zweiten Winkelkoordinate, unter der die an den Radarzielen reflektierten Empfangssignale auf der Empfangsantennenanordnung eintreffen, anhand der Phasenprogression der von den zweiten Hornantennenelementen der Empfangsantennenanordnung empfangenen Empfangssignale.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsantennenanordnung als phasengesteuerte Gruppenantenne ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende zusätzlichen Schritte: Aufprägen von unterschiedlichen Phasengradienten auf die von den zweiten Hornantennenelementen der Empfangsantennenanordnung empfangenen Empfangssignale, und Erzeugen von phasenverzögerten Empfangssignalen, Überlagern der phasenverzögerten Empfangssignale zu einem Überlagerungssignal, Bestimmen der zweiten Winkelkoordinate, unter der die an den Radarzielen reflektierten Empfangssignale auf der Empfangsantennenanordnung eintreffen, anhand von Werten des Überlagerungssignals für die unterschiedlichen Phasengradienten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Empfangen der an den Radarzielen reflektierten Empfangssignale durch die zweiten Hornantennenelemente der Empfangsantennenanordnung, Erfassen von Phasen und Amplituden der von den zweiten Hornantennenelementen der Empfangsantennenanordnung empfangenen Empfangssignale, ausgehend von Phasen und Amplituden der Empfangssignale, rechnerisches Bestimmen der zweiten Winkelkoordinate, unter der die an den Radarzielen reflektierten Empfangssignale auf der Empfangsantennenanordnung eintreffen, mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming.
Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes mittels einer Radarmessanordnung, welche aufweist: eine Sendeantennenanordnung (1600, 1700) mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen (1602–1607, 1702–1707); eine Empfangsantennenanordnung (1601, 1701) mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen (1624–1629, 1717–1722); dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Hornantennenelemente der Sendeantennenanordnung (1600, 1700) so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement (1602–1607, 1702–1707) die Leistung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs einer ersten Winkelkoordinate abstrahlt, dass die zweiten Hornantennenelemente der Empfangsantennenanordnung (1601, 1701) so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement (1624–1629, 1717–1722) Radarstrahlung in einer anderen Empfangsebene (1630–1635, 1723–1728) empfängt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition einer zweiten Winkelkoordinate verkippt ist, und dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: Abstrahlen von Radarstrahlung durch die Sendeantennenanordnung (1600, 1700), wobei entweder unterschiedliche Ausbreitungswege durchgeschaltet werden zur Auswertung der ersten Winkelkoordinate mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming, oder unterschiedliche Phasenprogressionen zur Abstrahlung in unterschiedliche Abstrahlbereiche der ersten Winkelkoordinate durchgeschaltet werden, Empfangen und Auswerten von an Radarzielen (1622, 1715) zurückreflektierten Empfangssignale durch die Empfangsantennenanordnung (1601, 1701) in unterschiedlichen Empfangsebenen (1630–1635, 1723–1728) bezüglich der zweiten Winkelkoordinate, und Erzeugen eines zweidimensionalen Abbilds des Radargesichtsfelds anhand der für die verschiedenen Werte der ersten Winkelkoordinate und der zweiten Winkelkoordinate erhaltenen Empfangssignale.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: die erste Winkelkoordinate ist zur zweiten Winkelkoordinate orthogonal; die Strahlöffnungen der ersten Hornantennenelemente sind in gleicher Richtung ausgerichtet wie die Strahlöffnungen der zweiten Hornantennenelemente; die den zweiten Hornantennenelementen zugeordneten Empfangsebenen sind um jeweils unterschiedliche Winkelpositionen relativ zur Normalen verkippt; das Verfahren ist durch eine Kombination eines Einsatzes von Digital Beam Forming oder phasengesteuerten Gruppenantennen einerseits und von unterschiedlichen Empfangsebenen andererseits gekennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: bei der ersten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Azimutwinkel und bei der zweiten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Elevationswinkel; bei der ersten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Elevationswinkel und bei der zweiten Winkelkoordinate handelt es sich um einen Azimutwinkel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Durchschalten der ersten Winkelkoordinate des Abstrahlbereichs der Sendeantennenanordnung, in den die Radarstrahlung abgestrahlt wird, durch Variieren der Phasenprogression, die auf die Sendesignale für die ersten Hornantennenelemente der Sendeantennenanordnung aufgeprägt wird, Aussenden von Radarstrahlung in den entsprechenden Abstrahlbereich.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennenanordnung als phasengesteuerte Gruppenantenne ausgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Durchschalten von unterschiedlichen ersten Hornantennenelementen der Sendeantennenanordnung, Aussenden von Radarstrahlung durch das jeweils aktive erste Hornantennenelement, Erfassen von Amplituden und Phasen der Empfangssignale zu unterschiedlichen Ausbreitungswegen, ausgehend von Phasen und Amplituden der Empfangssignale, rechnerisches Bestimmen der ersten Winkelkoordinate der Radarziele, an denen die Radarstrahlung reflektiert wurde, mittels Digitaler Strahlformung bzw. Digital Beam Forming.
Eine Radarmessanordnung, welche aufweist: eine Sendeantennenanordnung (1200, 1400) mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen (1202–1207, 1402–1407); eine Empfangsantennenanordnung (1201, 1401) mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen (1216–1221, 1416–1421); dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Hornantennenelemente (1202–1207, 1402–1407) der Sendeantennenanordnung (1200, 1400) so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement Radarstrahlung in einer anderen Abstrahlebene (1208–1213, 1408–1413) abstrahlt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition der ersten Winkelkoordinate verkippt ist, dass die zweiten Hornantennenelemente (1216–1221, 1416–1421) der Empfangsantennenanordnung (1201, 1401) so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement (1216–1221, 1416–1421) Radarstrahlung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs der zweiten Winkelkoordinate empfängt, und dass die Strahlöffnungen der zweiten Hornantennenelemente (1216–1221, 1416–1421) in gleicher Richtung ausgerichtet sind wie die Strahlöffnungen der ersten Hornantennenelemente (1202–1207, 1402–1407).
Eine Radarmessanordnung, welche aufweist: eine Sendeantennenanordnung (1600, 1700) mit einer Mehrzahl von ersten Hornantennenelementen (1602–1607, 1702–1707); eine Empfangsantennenanordnung (1601, 1701) mit einer Mehrzahl von zweiten Hornantennenelementen (1624–1629, 1717–1722); dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Hornantennenelemente (1602–1607, 1702–1707) der Sendeantennenanordnung (1600, 1700) so ausgebildet sind, dass jedes erste Hornantennenelement die Leistung innerhalb eines vergleichsweise breiten Bereichs einer ersten Winkelkoordinate abstrahlt, dass die zweiten Hornantennenelemente (1624–1629, 1717–1722) der Empfangsantennenanordnung (1601, 1701) so ausgebildet sind, dass jedes zweite Hornantennenelement (1624–1629, 1717–1722) Radarstrahlung in einer anderen Empfangsebene (1630–1635, 1723–1728) empfängt, die zur Normalen um eine bestimmte Winkelposition einer zweiten Winkelkoordinate verkippt ist, und dass die Strahlöffnungen der zweiten Hornantennenelemente (1624–1629, 1717–1722) in gleicher Richtung ausgerichtet sind wie die Strahlöffnungen der ersten Hornantennenelemente (1602–1607, 1702–1707).