DE112012002840T5

DE112012002840T5 - Vorrichtung zum Detektieren von Objekten, wie etwa Minen

Info

Publication number: DE112012002840T5
Application number: DE112012002840.6T
Authority: DE
Inventors: Claude Chekroun; Mario Duran; 0livier Bohbot; Roland Seneor
Original assignee: Ecole Polytechnique; Amesys SAS
Current assignee: Avantix Sas Fr; Chekroun Claude Fr; Duran Mario Cl; Ecole Polytechnique
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-04-17
Also published as: US10031252B2; WO2013004924A1; CA2840848A1; FR2977683A1; TN2013000548A1; CA2840848C; CL2014000016A1; KR102026909B1; US20140121969A1; FR2977683B1; KR20140116840A; MA35412B1; WO2013004924A9

Abstract

Diese Vorrichtung wird insbesondere zum Detektieren von Minen bereitgestellt, die in einer Zone verlegt sind, die dazu neigt, vermint zu sein. Sie wird auf einem Fahrzeug (1) angeordnet, das sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt. Sie weist eine Platte (25), auf der eine Strahlungsanordnung (18) angeordnet ist, und eine Verarbeitungsschaltung (50) zum Signalisieren des Vorhandenseins von Minen auf einem Bildschirm (80) auf. Die Strahlungsanordnung (18) wird durch eine Anordnung von Antennen (20) gebildet, die quer zu der Bewegungsgeschwindigkeit V des Fahrzeugs angeordnet ist. Ihre Abmessungen sind derart, dass es möglich ist, eine gute Auflösung zu erreichen. Die Letztere wird durch eine Verarbeitung verbessert, um als eine synthetische Antenne zu arbeiten.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Objekten, wie etwa Minen, die in einer Zone, die erkundet werden soll, angeordnet sind, wobei die Vorrichtung auf einem Fahrzeug angeordnet ist, das sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, und aus einer Platte, auf der eine Strahlungsanlage angeordnet ist, und einer Verarbeitungsschaltung, um Informationen über das Vorhandensein derartiger Objekte bereitzustellen, ausgebildet ist.
Eine derartige Vorrichtung ist in dem Patentdokument EP 0 812 005 offenbart und kann in vielen Anwendungen verwendet werden. Diese bekannte Vorrichtung ist nicht geeignet für die Detektion von Objekten mit kleinen Abmessungen, die derart konstruiert sind, dass sie schwer zu detektieren sind. Außerdem wird es aufgrund der Verformung der Platte, die eine Inkonsistenz zwischen emittierten und reflektierten Wellen bewirkt, welche sich selbst dann, wenn geeignete Schaltungen verwendet werden, um diese Deformationen zu messen, schwer vermeiden lässt, als vorteilhaft betrachtet, wenn die Platte groß ist.
Die Erfindung offenbart eine Vorrichtung der Art, die in der Präambel erwähnt ist, die eine gute Leistungsfähigkeit hat. Folglich wird es möglich, in Sand vergrabene Minen zu detektieren. Diese Minen sind oft konstruiert, um nicht detektierbar zu sein, und haben folglich eine Dielektrizitätskonstante, die ähnlich der Dielektrizitätskonstante des Sands ist, in dem sie vergraben sind. Das Ergebnis ist, dass ihr Reflexionskoeffizient ähnlich dem des Sands ist, der sie umgibt, was es schwierig macht, sie durch elektromagnetische Strahlung zu detektieren.
Diese Erfindung offenbart verschiedene Maßnahmen für das Detektieren von Objekten, die schwer zu detektieren sind, und die daher fähig sind, Minen verschiedener Größe, wie etwa Anti-Personen-Minen oder Anti-Panzer-Minen, zu detektieren, wobei die Tatsache, dass diese Minen möglicherweise in der Erde sind, diese Detektion nicht erleichtert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Strahlungsanlage eine Anordnung von Antennen auf, die quer zu der Verschiebungsgeschwindigkeit V des Fahrzeugs angeordnet sind. Die Größe der gesamten Anordnung hängt von der Größe der Objekte ab, die detektiert werden sollen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung erlaubt Duplexeinrichtungen, so dass die Strahlungsanlage sowohl beim Senden, um die Zone, die erkundet werden soll, auszuleuchten, als auch beim Empfang verwendet werden kann, um Wellen zu erfassen, die von dieser Zone reflektiert werden. Ein erster erreichter Vorteil ist, dass die Anzahl von Antennen halbiert wird und dass die Verarbeitung der emittierten Wellen und der empfangenen Wellen kohärent gemacht wird, wodurch die Leistungsfähigkeit verbessert wird. Ein zweiter Vorteil gegenüber der bekannten Vorrichtung ist, dass es kein Problem mehr mit Verformungen der Platte gibt, wenn Zonen, die erkundet werden sollen, überflogen werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung fliegt das Fahrzeug in einer Höhe in der Größenordnung von 10 m über die Zone, die erkundet werden soll, wobei die Querabmessung der Anordnung in der Größenordnung von 7 m liegt, während die Ausleuchtungsfrequenz von 2 bis 4 GHz variiert. Diese verschiedenen Parameter sind wichtig. Insbesondere ist die Auswahl der Sende- oder Ausleuchtungsfrequenz förderlich für das bessere Eindringen der Welle in sandige Böden und ermöglicht folglich die bessere Erfassung von Minen, die in ihnen vergraben sind.
Die folgende Beschreibung und die angehängten Zeichnungen, die als ein nicht einschränkendes Beispiel gegeben sind, werden helfen, die Erfindung zu verstehen. In den Zeichnungen:
zeigt 1 eine Vorrichtung zum Detektieren von Objekten an Bord eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers,
zeigt 2 einen Plan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
zeigt 3 das Abtasten einer Zone, die erkundet werden soll, und die Bildung einer synthetischen Antenne,
sind 4 und 5 bereitgestellt, um Parameter zu definieren, die an der Signalverarbeitung beteiligt sind.
Gemeinsame Elemente haben in allen Figuren die gleichen Bezüge.
In 1 bezieht sich die Bezugszahl 1 auf einen Hubschrauber, der sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung an Bord ist. Mit dieser Vorrichtung wird vorgeschlagen, den Boden in einer Zone 5, die erkundet werden soll, zu erkunden, welche in dem beschriebenen Beispiel als eine verminte Zone betrachtet wird. Minen 11, 12, 13, etc. sind in dieser Zone (5) verteilt und können vergraben sein. Die Hauptschwierigkeit bei der Erfassung dieser Minen tritt auf, wenn sie in trockenem Sand vergraben sind. Minen sind derart konstruiert, dass sie so wenig detektierbar wie möglich sind, und sind aus einem Material mit einer Dielektrizitätskonstanten gefertigt, die ähnlich der Dielektrizitätskonstante des Sands ist, der sie umgibt. Die ungefähren Werte dieser Dielektrizitätskonstanten sind jeweils 2,7 und 3,1 bis 3,4. Daher sind die Reflexionskoeffizienten, die sich direkt aus diesen Konstanten ergeben, nahe beieinander. Dies bedeutet, dass die Verarbeitung vernünftig durchgeführt werden muss.
Um diese Schwierigkeit zu bewältigen, wird eine Strahlungsanlage 18 bereitgestellt, die aus einer Anordnung von Antennen 20 ausgebildet ist, die auf einer Platte 25 angeordnet ist, die an dem Heck des Hubschraubers 1 befestigt ist. Vorzugsweise sind diese Antennen Vivaldi-Antennen. Dieser Hubschrauber überfliegt die verminte Zone 5 mit einer Geschwindigkeit V, die damit kompatibel ist, dass die Detektionsverarbeitung durchgeführt wird, und in einer Höhe, so dass die Antennen als in der Nahzone betrachtet werden können. Denken Sie daran, dass das Verhältnis des elektrischen Felds und des Magnetfelds in der Nahfeldzone (die Fresnel-Zone) nicht konstant ist und ihre Verteilung im Raum sich mit der Entfernung relativ zu der Antenne ändert. 1 zeigt einen Pfeil 27, der die Tatsache darstellt, dass eine Ausleuchtungswelle in Richtung der Zone gerichtet ist und auf sie reflektiert wird.
2 zeigt das Diagramm der erfindungsgemäßen Objektdetektionsvorrichtung.
Jede Antenne 20 ist mit einem Schaltersystem 28 verbunden, das aus Hochfrequenz-SP32T-Schaltern oder anderen serienmäßig produzierten Schaltern ausgebildet ist. Die Figur zeigt vier dieser Schalter 31, 32, 33 und 34, von denen jeder zweiunddreißig Anschlüsse auf sogenannten strahlungsaufwärtigen Anschlüssen verwaltet, so dass die Anzahl von Antennen 128 ist. Ein einziger strahlungsabwärtiger Anschluss entspricht diesen vier strahlungsaufwärtigen Anschlüssen dieser Schalter. Die strahlungsabwärtigen Anschlüsse dieser Schalter 31 bis 34 sind mit strahlungsaufwärtigen Anschlüssen eines fünften Schalters 40 verbunden.
Alle diese Schalter 31–34, 40 hängen von einer Verarbeitungsschaltung 50 und genauer einer Verarbeitungsvorrichtung 52 ab, die alle Betriebsprozesse der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwaltet.
Da die Antennen 20 sowohl beim Senden als auch Empfangen arbeiten, sind Duplexeinrichtungen 55 bereitgestellt, die einen Teil der Verarbeitungsschaltung 50 bilden und aus wenigstens einem Zirkulator bestehen, um Wellen, die gesendet werden sollen, und empfangene Welle zu trennen. Ein Anschluss dieses Zirkulators ist mit einem stromabwärtigen Anschluss des Schalters 40 verbunden.
Vorzugsweise sind das Schaltsystem 28 und der Zirkulator 55 auf der Platte 25 und daher nahe an den Antennen 20 angeordnet.
Die Wellen, die emittiert werden sollen, werden von einer spannungsgesteuerten Oszillator-(VCO-)Referenz 60 erzeugt. Bevor sie an den Zirkulator 55 angelegt wird, durchlauft die Ausgangswelle 5 von dem Oszillator 60 einen Verstärker 62, welcher der Welle die notwendige Leistung verleiht, die schließlich von den Antennen 20 und einem Richtkoppler 64, der einen kleinen Teil der Welle an dem Ausgang von dem Verstärker 62 abtastet, emittiert wird.
Ein anderer Anschluss an dem Zirkulator 55 erfasst die empfangene Welle, die zuerst von einem Verstärker 66 verstärkt wird, bevor sie an einen Quadraturdetektor 70 angelegt wird, der aus zwei Mischern 71 und 72 mit zwei Eingängen ausgebildet ist, wobei einer von ihnen das Ausgangssignal von dem Verstärker 66 und der Andere durch den Koppler 64 eine Kopie des Signals von dem Oszillator 60 empfangt. Die Phasen der Kopien, die an die Eingänge der zwei Mischer angelegt werden, werden um 90° verschoben. Dies wird durch einen geeignet angeschlossenen 3 dB-Koppler 75 erledigt. Die Vorrichtung 52 verarbeitet dann die Ausgangssignale I und Q von dem Detektor 70.
Diese Verarbeitungsvorrichtung 52 gibt zum Beispiel auf einem Bildschirm 80 eine Karte der erkundeten Zone aus, auf der detektierte Mienen hervorgehoben gezeigt sind.
Die Verarbeitungsvorrichtung 52 erzeugt diese Karte basierend auf einer synthetischen Apertur der Antenne, wie in 3 gezeigt. Diese Figur stellt die Zone 5, die erkundet werden soll, und den Plan 85 der synthetischen Antenne, der sich aus der von der Verarbeitungsvorrichtung 52 durchgeführten Verarbeitung ergibt, dar. Dieser Plan 85 bewegt sich auf der Zone mit der Geschwindigkeit V, welche die Geschwindigkeit des Hubschraubers ist, und T stellt die Abtastrate dar, die durch sequentielles Umschalten der verschiedenen Antennen 20 durch die Betätigung der Schalter 31–34 und 40 erhalten wird. Diese synthetische Antenne ergibt die notwendigen Auflösungen in der Größenordnung von 7 cm, die Minen entspricht. Die Höhe beträgt 10 m und die Ausleuchtungsfrequenz variiert zwischen 2 und 3 GHz.
Gemäß einer Ausführungsform kann sich die Oszillatorfrequenz alle 2 oder 3 Millisekunden ändern, so dass sich die Wahrnehmung der hervorgehobenen Punkte ändert. Wenn eine Mine sich für eine Frequenz nicht als ein hervorgehobener Punkt zeigt, kann sie aufgrund des Dopplereffekts, der durch das Umschalten der Elemente in dem Antennennetzwerk induziert wird, bei einer anderen Frequenz als ein hervorgehobener Punkt auftauchen. Um dies zu erreichen, kann sich die Frequenz des Oszillators 60 unter der Steuerung der Verarbeitungsvorrichtung 52 auf eine der Frequenzen f1, f2 oder f3 ändern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt.
4 zeigt die wesentlichen Elemente für eine vereinfachte Erklärung der Signalverarbeitung. Die Zone 5, die analysiert werden soll und der Plan 85 der synthetisierten Antenne sind in 4 angezeigt. Der Antennenplan 85 erstreckt sich über eine Breite W und eine Länge L, die von der Luftfahrzeuggeschwindigkeit „V” definiert werden. Diese Zone wird in einen Satz von Punkten J heruntergebrochen, der jeweils in zwei Dimensionen x und y angeordnet ist: entlang der Richtung der Breite und entlang der Verschiebung des Luftfahrzeugs. Jeder dieser Punkte reflektiert die Wellen, die von dem Luftfahrzeug gesendet werden, und bringt sie zu der Strahlungsanlage 18 zurück, welche die Anordnung von Antennen 20 aufweist. Die an dem Punkt j reflektierte Welle wird mit r_j bezeichnet. Das Signal S(t), das an einer Antenne 20 empfangen wird, für welche der Standort durch einen Referenzpunk M der Anordnung 20 definiert ist, kann wie folgt geschrieben werden:
wobei in dieser Gleichung:

– J den Standort des Punkts in der Zone 5 angibt,
– u ⇀(t) den Standort der Antenne A in der Anordnung 20 und auch als eine Funktion der Zeit t, die das Umschalten der Antenne definiert, angibt.
– λ die Wellenlänge der Strahlung ist.
– i derart ist, dass i² = –1.

Dieses Signal enthält den Beitrag von Wellen, die von den verschiedenen Antennen in dem Netzwerk 20 empfangen werden.
Die folgende Formel wird verwendet, um die Reflexion A_j an einem gegebenen Punkt auf dem Boden zu bestimmen:
Diese Formel (2) stellt die Umkehroperation der vorhergehenden Operation, jedoch nach einer adaptiven Filterung dar, mit anderen Worten wurde der Beitrag anderer reflektierter Wellen an dem in „j” befindlichen Punkt eliminiert.
Daher entspricht diese Formel exp[–i 2π / λ·(r0_j)] der angepassten Filterung und
Die an dieser Formel (3) beteiligten Parameter werden unter Bezug auf 5 beschrieben:

– θ ist der Winkel, aus dem der Punkt auf dem Boden wahrgenommen wird, und ist gleich dem Einfallswinkel der Welle an dem betrachteten Punkt.
– e ist die Dicke des Sands, in dem die Mine vergraben ist.
– ε ist die Dielektrizitätskonstante des Sands.

Beachten Sie, dass die Höhe H, bei welcher das Luftfahrzeug überfliegt, den Wert des Modulus von r bestimmt.
In der Praxis ergibt der Wert von A durch die Abweichungen der Helligkeit auf dem Bildschirm 80 die Anzeige des Vorhandenseins von Minen.
Wenngleich die Beschreibung für einen Minendetektor gegeben wurde, der fähig ist, Minen unter ungünstigen Bedingungen zu detektieren, ist die Erfindung sogar noch besser für die Detektion von Objekten unter günstigeren Bedingungen als den vorstehend Beschriebenen anwendbar.
Beachten Sie, dass das Verfahren vorzugsweise für drei verschiedene Frequenzen mit einem ausreichenden Abstand wiederholt wird. Die erhaltenen Bilder enthalten aufgrund verschiedener Kombinationen von Reflexionskoeffizienten von Grenzflächen zwischen dem Boden und der Mine hervorgehobene oder dunkle Bereiche.

Claims

Vorrichtung zum Detektieren von Objekten, wie etwa Minen (11, 12, 13 ...), die in einer Zone (5), die erkundet werden soll, angeordnet sind, wobei die Vorrichtung auf einem Fahrzeug (1) angeordnet ist, das sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, und aus einer Platte (25), auf der eine Strahlungsanlage (18) eingerichtet ist, um Signale mit einer Ausleuchtungsfrequenz zu senden und um von der Zone (5) reflektierte Signale zu empfangen, und einer Verarbeitungsschaltung (50) ausgebildet ist, um nach der Verarbeitung der reflektierten Signale Informationen über das Vorhandensein der Objekte bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsanlage (18) eine Anordnung von Antennen (20) aufweist, die quer zu der Verschiebungsgeschwindigkeit V des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Duplexeinrichtungen (55) bereitgestellt sind, so dass die Strahlungsanlage (18) sowohl für das Senden von Signalen mit der Ausleuchtungsfrequenz als auch für den Empfang zum Erfassen der reflektierten Signale verwendet wird.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) in einem Abstand von der Zone (5), die erkundet werden soll, ist, so dass die Antennen (20) in einer Nahzone arbeiten.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Duplexeinrichtungen (55) aus wenigstens einem Zirkulator bestehen.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen aus Vivaldi-Antennen bestehen.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Schaltsystem (28) gibt, um jede der Antennen (20) zu verwenden.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsystem (28) auf der Platte (25) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Duplexeinrichtungen (55) auf der Platte (25) angeordnet sind.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsystem (28) mit einer Verarbeitungsvorrichtung (52) zusammenarbeitet, um eine synthetische Antenne zu erzeugen.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach Anspruch 9 an Bord eines Luftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsvorrichtung (52) derart ist, dass ein Signal, das in der folgenden Form empfangen wird
wobei in dieser Gleichung: – j zu einem Satz J von Punkten gehört, der Punkte in der zu analysierenden Zone definiert, u ⇀(t) den Standort der Antenne (20, 21, ...) entlang der Anordnung 20 zur Zeit t angibt, – X die Wellenlänge der Strahlung ist, – i derart ist, dass i = –1 derart verarbeitet wird, dass nach der angepassten Filterung ein Signal A_j erzeugt wird, das die Reflexion von einem Punkt j darstellt, so dass:
wobei in dieser letzteren Formel: – θ der Winkel ist, aus dem der Punkt auf dem Boden wahrgenommen wird, und gleich dem Einfallswinkel der Welle an dem betrachteten Punkt ist – r_j der Reflexionsvektor des betrachteten Punkts ist, der auch durch die Höhe H des Hubschraubers, der die Zone überfliegt, definiert ist
wobei: – e die Dicke des Mediums ist, in dem das Objekt, das detektiert werden soll, vergraben ist. – ε die Dielektrizitätskonstante dieses Mediums ist.
Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Fahrzeug die Zone (5) überfliegt, die Querabmessung der Anordnung derart ist, dass eine den Objekten entsprechende Auflösung erreicht wird, während die Ausleuchtungsfrequenz von 2 bis 4 GHz reicht.