DE112017000933T5

DE112017000933T5 - Radar mit reichweitenunabhängiger Auflösung

Info

Publication number: DE112017000933T5
Application number: DE112017000933.2T
Authority: DE
Inventors: Danny Elad; Ofer Markish; Dan Corcos; Thomas Morf
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109154650B; US10386478B2; WO2017199125A1; GB2566848B; GB201820374D0; US20170336506A1; JP2019516984A; JP6849897B2; CN109154650A; GB2566848A

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bildgebung wird bereitgestellt, die für eine Auflösung nicht von der Reichweite abhängig ist. Zellenanordnungen, die aus Antennen und echten Zeitverzögerungen bestehen, können hinter dem Ziel platziert werden. Das von den einzelnen Zellen reflektierte Signal stellt Informationen darüber bereit, ob die Zelle durch das Ziel blockiert wird. Weitere Informationen können aus den Radarechos bestimmt werden, wie beispielsweise Materialeigenschaften und Zieldicke. Ähnliche Strukturen können aufgebaut werden, um als drahtlose Strichcodes zu fungieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Radarsysteme. Insbesondere stellt sie eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System bereit, die zum Erzeugen eines Radars mit reichweitenunabhängiger Auflösung geeignet sind.
HINTERGRUND
Die räumliche Auflösung von Radarsystemen hängt typischerweise von dem Abstrahlwinkel, der Größe der Radarantennen und der Entfernung zwischen dem Radar und dem Ziel ab. Infolgedessen besteht typischerweise ein Kompromiss zwischen diesen Faktoren und einer erreichbaren Auflösung der Radarerfassung.
Herkömmlicherweise konnte eine höhere räumliche Auflösung durch Vergrößern der Antennengröße erzielt werden. Wenn zum Beispiel die Antennenöffnungsweite zunimmt, nimmt die Strahlbreite der Antenne ab (d.h. 3 dB Dämpfung in Bezug auf Spitzenwert). Ein Näherungsausdruck für das umgekehrte Verhältnis zwischen der Antennengröße (D) und der 3-dB-Strahlbreite (BW) für eine Hornantenne lautet BW = 70λ/D, wobei λ die Wellenlänge ist. Als Ergebnis der verringerten Strahlbreite nimmt auch die Punktgröße auf dem Ziel ab, wodurch die Erfassung von kleineren Merkmalen auf dem Ziel ermöglicht wird. Die Vergrößerung der Antennengröße muss an einer oder beiden Antennen des Senders und des Empfängers des Radars erfolgen, um die Radarauflösung zu verbessern. Die Verwendung von großen Antennen, wie zum Beispiel große Parabolantennen oder Gruppen von Antennenelementen, können jedoch zu einer Erhöhung von Kosten, Größe und Gewicht des Systems führen. Außerdem kann es notwendig sein, die Antenne oder das Ziel mechanisch zu drehen oder zu bewegen, um verschiedene Merkmale auf dem Ziel zu beobachten, sodass der relevante Bereich auf dem Ziel belichtet wird. Größere Antennen können durch Konstruieren von phasengesteuerten Gruppen gebildet werden, die zum Beispiel digitale Strahlformung oder multistatische Verfahren verwenden. Phasengesteuerte Antennengruppen tragen jedoch zur Komplexität in Form von einzelnen Einspeisungen, Sender-Empfängern und Phasenschiebern und/oder Verarbeitungsabschnitten bei.
Die räumliche Auflösung kann auch erhöht werden, indem das Radarsystem näher an das Ziel bewegt wird. 1 zeigt die Auswirkung von Antennengröße, Zielentfernung und Strahlbreite auf die Punktgröße auf dem Ziel. Für eine vorgegebene Antennengröße (D) und eine 3-dB-Strahlbreite (BW) hängt die Punktgröße auf dem Ziel (X) von der Entfernung (R) zwischen dem Ziel und der Radarantenne ab. Die Punktgröße kann ungefähr mit X = 2*R*tan[λ/(2D] angegeben werden, wobei λ die Wellenlänge ist. Es ist jedoch nicht immer ein praktischer Ansatz, die Antenne näher zu dem Ziel zu bewegen, da man die Entfernung zwischen dem Radar und dem Ziel nicht immer kontrollieren kann. Außerdem nimmt die Punktgröße nicht mit der Radar-Ziel-Entfernung ab, wenn die Entfernung kürzer als die Fernfeldentfernung D^2/λ wird. Tatsächlich entspricht die Mindestpunktgröße in der Nähe der Antenne der Größenordnung der Antennenöffnungsweite selbst, wie in 2 gezeigt.
Superauflösungstechniken können ebenfalls verwendet werden, um die Auflösung von Radarsystemen zu verbessern. Für Superauflösungstechniken können jedoch eine höhere Verarbeitungsleistung und anspruchsvolle Algorithmen erforderlich sein. Außerdem verlangen viele Superauflösungstechniken ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis für eine effiziente Verarbeitung. Weitere Techniken, wie zum Beispiel Monopuls, können ebenfalls zum Erhöhen der Auflösung verwendet werden.
Es bedarf eines Radarsystems mit einer von der Reichweite zum Ziel unabhängigen Auflösung. Daher besteht beim Stand der Technik ein Bedarf, sich mit dem oben genannten Problem zu beschäftigen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von einem ersten Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bildgebung bereit, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Radarsender, der konfiguriert ist, um ein Radarsignal zu senden; eine erste Zelle, die eine erste Antenne und ein erstes Verzögerungselement aufweist, wobei die erste Zelle konfiguriert ist, um das Radarsignal von dem Radarsender zu empfangen und das Radarsignal nach einer ersten bekannten Zeitverzögerung von dem ersten Verzögerungselement neu zu senden; und einen Radarempfänger, der konfiguriert ist, um das neu gesendete Radarsignal von der ersten Zelle zu empfangen.
Von einem weiteren Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildgebung bereit, wobei das Verfahren aufweist: Senden eines ersten Radarsignals durch einen Radarsender; Empfangen von mindestens einem Abschnitt des Radarsignals an einer ersten Antenne einer ersten Zelle; Generieren eines ersten zeitverzögerten Signals durch ein erstes Verzögerungselement auf Grundlage des empfangenen mindestens einen Abschnitts des Radarsignals; neues Senden des ersten zeitverzögerten Signals durch die erste Antenne der ersten Zelle; Empfangen des mindestens einen Abschnitts des ersten zeitverzögerten Signals durch einen Radarempfänger; und Aufbauen eines Bilds, wobei das Aufbauen des Bilds ein Bestimmen des Fehlens eines Ziels auf Grundlage des Vorhandenseins des ersten zeitverzögerten Signals und des Vorhandenseins eines Ziels auf Grundlage des Fehlens des ersten zeitverzögerten Signals aufweist.
Von einem weiteren Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Bildgebung bereit, wobei das System aufweist: ein Radar, wobei das Radar aufweist: einen Radarsender, der konfiguriert ist, um ein Radarsignal zu generieren, und einen Radarempfänger; und eine Zellenanordnung, wobei die Zellenanordnung aufweist: eine erste Zelle, wobei die erste Zelle eine erste Antenne und ein erstes Verzögerungselement aufweist, das mit der ersten Antenne verbunden ist, wobei die erste Antenne und das erste Verzögerungselement konfiguriert sind, um das Radarsignal zu empfangen, ein erstes zeitverzögertes Radarsignal durch das erste Verzögerungselement zu generieren, und das erste zeitverzögerte Radarsignal so zu senden, dass mindestens ein Abschnitt des ersten zeitverzögerten Radarsignals an dem Radarempfänger eintrifft, und eine zweite Zelle, wobei die zweite Zelle eine zweite Antenne und ein zweites Verzögerungselement aufweist, das mit der zweiten Antenne verbunden ist, wobei die zweite Antenne und das zweite Verzögerungselement konfiguriert sind, dass sie das Radarsignal empfangen, ein zweites zeitverzögertes Radarsignal durch das zweite Verzögerungselement zu generieren und das zweite zeitverzögerte Radarsignal so zu senden, dass mindestens ein Abschnitt des zweiten zeitverzögerten Signals an dem Radarempfänger eintrifft.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbessern der Leistung von Radar-, Spektroskopie- und Bildgebungssystemen durch (i) Ausführen einer Einzel- oder Multipixel-Bildgebung mit einem einzelnen Fixed-Beam-Radar ohne Berücksichtigung der Größe der Radarantenne, und (ii) Bereitstellen einer Superauflösung der Zielkanten in der Größenordnung einer Wellenlänge oder weniger, die von der Zielentfernung unabhängig ist.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung des Weiteren eine neuartige Technik für Radar-Bildgebung, die eine Superauflösung der Zielprofilkanten erreicht, indem eine Anordnung von Zellen, die echte Verzögerungen oder konzentrierte Verzögerungen enthalten, hinter dem Ziel platziert wird. In einer Ausführungsform wird die Auflösung des Radars teilweise durch die Größe der Zellen bestimmt. Typische Zellen können von der Größenordnung einer Wellenlänge sein, und die Auflösung des Radars ist von derselben Größenordnung. Diese Auflösung kann ohne Berücksichtigung der Größe der belichtenden und empfangenden Radarantennen und ohne Berücksichtigung der Entfernung zwischen dem Radar und dem Ziel erreicht werden. Die Zellenstruktur setzt sich in einer Ausführungsform aus einer Antenne (z.B. eine Horn-, offene Hohlleiter- oder Patchantenne) zusammen, die mit einem konzentrierten Verzögerungselement (wie beispielsweise ein Phasenschieber, Kondensatoren, Induktoren usw.) mit z.B. einem Kurzschluss nach dem konzentrierten Element oder dem echten Verzögerungselement (wie beispielsweise einem Hohlleiter, einer gedruckten Mikrostreifenleitung, einer Streifenleitung, einem Koaxialkabel, einem koplanaren Hohlleiter usw.) mit im Allgemeinen variierender Länge oder Verzögerung für jede Zelle verbunden ist, indem z.B. das Verzögerungselement auf der gewünschten Länge kurzgeschlossen wird. Die Zellen werden hinter dem Ziel platziert, und die Gesamtauslegung erfordert keine erheblichen Änderungen in dem Radarsystem selbst. Bei der beschriebenen Vorrichtung wird die räumliche Auflösung des Radars zusammen mit den Zellen durch die Größe der Zellen und nicht durch die Größe der Radarantennen oder durch die Radar-Ziel-Entfernung bestimmt. Die Zellenstruktur kann mit jedem Radarsystem verwendet werden, wie zum Beispiel Dauerstrich-, Puls- oder sonstiges Radar.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die Ansprüche im Anhang und die dazugehörigen Figuren verständlich.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allein zu Beispielzwecken unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 eine Darstellung ist, die die Beziehung der Punktgröße von einem Radar zu der Entfernung zu dem Ziel und der Strahlbreite gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 eine Darstellung ist, die die Nahfeld- und Fernfeldkomponenten des Radarstrahls gemäß dem Stand der Technik zeigt;
3 eine schematische Darstellung des Radarsystems mit reichweitenunabhängiger Auflösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung der Zellenanordnung mit achtzehn offenen Hohlleitern als Antennen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei jede Antenne mit einem Hohlleiter mit unterschiedlicher Länge verbunden ist, indem der Hohlleiter an der gewünschten Position verkürzt wird;
5 eine grafische Darstellung der sich ergebenden Taktfrequenzen einer Dauerstrich-Umsetzung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6A eine schematische Darstellung eines vor der Zellenanordnung vorhandenen Ziels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6B eine grafische Darstellung der Taktfrequenzen ist, die für ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhanden sind;
6C ein rekonstruiertes Zielbild gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine schematische Darstellung einer kompakten Struktur mit flachen mäanderförmigen Hohlleitertunneln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7A eine schematische Darstellung einer obersten Schicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit neun Antennen ist;
7B eine schematische Darstellung einer Mittensignal-Verteilungsschicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7C eine schematische Darstellung einer untersten echten Verzögerungsleitungsschicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7D eine schematische Darstellung einer Vielschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8A eine schematische Ansicht von acht offenen Hohlleiterantennen ist, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit acht Hohlleitern von unterschiedlicher Länge verbunden sind, die durch ein einfallendes Feld belichtet werden;
8B eine grafische Darstellung von Feldstärken einer Welle ist, die auf die Zellenanordnung des Radarsystems mit reichweitenunabhängiger Auflösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auftrifft;
8C eine grafische Darstellung einer Richtwirkung eines neu gesendeten Signals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine strichcodeähnliche Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
10 ein Radarsystem mit reichweitenunabhängiger Auflösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das Linsen enthält.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die dazugehörigen Zeichnungen Bezug genommen, die einen Bestandteil davon bilden, und in denen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, durch die die Erfindung ausgeübt werden kann. Es sollte klar sein, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine schematische Darstellung des Radarsystems mit reichweitenunabhängiger Auflösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 3 gezeigt. Das Radarsystem mit reichweitenunabhängiger Auflösung 300 setzt sich aus einem Radar 310 und einer Zellenanordnung 320 zusammen. Das Radar 310 weist einen Sender und einen Empfänger auf. Das Ziel 390 ist zwischen dem Sender 310 und der Zellenanordnung 320 platziert. Jede Zelle 325 weist eine Zellenantenne 326 und eine echte Verzögerung 327 auf. Die Zellenantenne 326 kann jeder Typ einer Antenne sein, die zum Senden und Empfangen von Signalen in der Radar-Arbeitsfrequenz geeignet ist, und kann eine offene Hohlleiterantenne, eine Horn-, Patch-, Dipol-, Schlitz-, miniaturisierte Antenne oder dielektrisch umgebene Antenne von reduzierter Größe sein. Die echte Verzögerung 327 kann als eine Mikrostreifenleitung, eine Streifenleitung, ein Hohlleiter, ein koplanarer Hohlleiter oder jede andere Übertragungsleitung umgesetzt werden, die die eingehende Energie, die von der Zellenantenne empfangen wird, leiten und zu dem Radar zurück reflektieren kann. Die echte Verzögerung 327 kann durch andere Verzögerungselemente, wie zum Beispiel konzentrierte Elemente, ersetzt werden. Abhängig von den Signal-Rausch-Verhältnis-Fähigkeiten des Radars, der Verstärkung jeder Antenne, der Verluste der Übertragungsleitung und der Kopplung zwischen Zellen und der Übertragungsleitung kann die Antennengröße reduziert und die Übertragungsleitung ohne durch die Wellenlänge festgelegtes inhärentes physisches Limit belegt werden.
Zu beachten ist, dass die Radar-Sendeantenne, die das Ziel belichtet, und die Radar-Empfangsantenne, die die Rückstrahlungen von dem Ziel erfasst, verschieden sein können oder durch dieselbe Antenne umgesetzt werden könnten. Zu beachten ist auch, dass in 3 das Ziel nicht notwendigerweise alle Zellen blockiert. Die Vorrichtung, das System und das Verfahren von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf alle Fälle anwendbar, in denen es möglich ist, derartige Zellen hinter dem Ziel zu positionieren. Das Ziel kann sich auch in dem Bereich vor den Zellen bewegen, und das Bildgebungssystem kann eine Serie von Bildern zu verschiedenen Zeitpunkten während der Zeit generieren, in denen das Ziel vorhanden ist. Jede Zelle erzeugt eine Verzögerung, die durch die unterschiedliche Länge verursacht wird. Bei Dauerstrichradaren, wie zum Beispiel einem frequenzmoduliertem Dauerstrichradar, würde jede Verzögerung in eine verschiedene Taktfrequenz f_b in dem Radarempfänger übersetzt. Bei Pulsradaren verursacht die unterschiedliche Verzögerung, dass das reflektierte Signal zu verschiedenen Zeitpunkten t_r an dem Radarempfänger ankommt. Die Zelle hat eine bekannte Verzögerung aus der echten Verzögerung 327, um die sie die das Radarsignal verzögert. Der Radarempfänger kann auf Grundlage des Vorhandenseins und/oder der Amplitude des Signals, die der bekannten Zeitverzögerung der Zelle entsprechen, bestimmen, welche Zellen blockiert sind. Beginnend mit einem Fall, in dem die Anordnung durch das Signal des Radars belichtet wird und kein Ziel den Pfad behindert, misst das Radar die Verzögerung, die allen Zellen in der Anordnung zugehörig ist. In dem Fall, in dem eine oder mehrere Zellen durch das Ziel blockiert werden, erscheinen die Werte für f_b oder t_r, die diesen Zellen zugehörig sind, nicht am Radarausgang. Da die Position der Zellen bekannt und vorbestimmt sein kann, kann ein hochauflösendes Bild der Profilkanten des Ziels oder des gesamten Ziels ausgebildet werden. Diese hohe Auflösung wird ohne Berücksichtigung der Radarantennengröße, der Ziel-Radar-Entfernung und ohne dass es herkömmlicher Superauflösungsverfahren bedarf ermöglicht.
4 zeigt eine Ausführungsform der Zellenanordnung 320 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit achtzehn offenen Hohlleitern als Antennen, wobei jede Antenne mit einem Hohlleiter von unterschiedlicher Länge verbunden ist, indem der Hohlleiter an der gewünschten Position verkürzt wird. Wenn diese Struktur zum Beispiel durch ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar mit einem Signal belichtet wird, dessen Frequenzspektrum eine Bandbreite B um f₀ hat, werden achtzehn Taktfrequenzen in dem Radarempfänger entsprechend der Verzögerung jeder Zelle generiert. Eine grafische Darstellung der sich daraus ergebenden Taktfrequenzen 510 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 5 zu sehen. Zu beachten ist, dass die Zellenanordnung 320 eine beliebige Anzahl von Zellen enthalten kann. Diese Anzahl kann zum Beispiel unter Berücksichtigung der typischen Zellengröße, der Zielgröße und der Arbeitsfrequenz ausgewählt werden.
Die Reichweitenauflösung des Radars wird mit ΔL = c/(2B) angegeben, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und B die Bandbreite des Radars ist. Daher muss der Längenunterschied zwischen Zellen größer oder gleich ΔL sein. Zwar bezieht sich das Beispiel hier auf ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar, doch kann dieselbe Struktur mit jedem Dauerstrich-, Pulsradar oder anderen Radartypen verwendet werden. Im Fall eines Pulsradars generiert der Längenunterschied jeder Zelle unterschiedliche Verzögerungen in dem Radarempfänger.
6A zeigt eine schematische Darstellung eines vor der Zellenanordnung 320 vorhandenen Ziels 390 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Ziel 390 blockiert einige der Zellen, und andere Zellen der Zellenanordnungen 320 können offen bleiben. Wenn das Ziel und die Zellen mit einem Strahl belichtet werden, dessen Größe gleich oder größer als die Zellenanordnung ist, erzeugen nur einige der Taktfrequenzen 510 (f_b) oder Verzögerungen (t_r), die den offen gelassenen Zellen entsprechen, entsprechende Signale an dem Radarempfänger. Die Taktfrequenzen, die für ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, werden in 6B gezeigt. Da die Positionen der Zellen bekannt und vorbestimmt sind, kann ein Bild 650 des Ziels ausgebildet werden, wie in 6C gezeigt.
Die Entfernung zwischen dem Ziel und den Zellen ist auf keinen bestimmten Wert begrenzt. Allerdings werden geringe Entfernungen bevorzugt, um Beugungseffekte zu vermeiden, bei denen Zellen, denen die direkte Sicht durch das Ziel blockiert wird, einen Teil der Energie auf das Radar zurück reflektieren könnten.
Das kollektive Feld, das von allen Zellen in der Struktur zurück reflektiert wird, ist tatsächlich ein Öffnungsweitenfeld einer Antennengruppe. Daher können die Längen der echten Verzögerungen jeder Zelle zufällig verteilt werden, um eine Zufallsphasenverteilung auf dieser Öffnungsweite zu schaffen. Auf diese Weise wird die Möglichkeit eines Strahlversatzes minimiert, der die Leistung reduziert, die sich zur empfangenden Antenne des Radars hin fortpflanzt.
Andere Konfigurationen der Gruppe sind ebenfalls möglich. In einer Ausführungsform können die geraden und langen Hohlleiter, die in 4 gezeigt werden, durch eine kompaktere Struktur mit flachen mäanderförmigen Hohlleitertunneln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ersetzt werden, wie in 7D gezeigt. Die oberste Schicht 710 der Vorrichtung wird in 7A gezeigt. Diese oberste Schicht 710 besitzt eine vier-mal-vier-Gruppe von offenen Hohlleitern, die als die Zellenantennen wirken. Die mittlere Schicht 720 der Vorrichtung wird in 7B gezeigt. Diese Schicht hat Verteilungstunnels von den Zellenantennen zu den echten Verzögerungen, die in dieser Ausführungsform Hohlleitertunnel sind. In dieser Ausführungsform sind die Hohlleitertunnel dünne Tunnel. Eine unterste Schicht 730 von echten Verzögerungen ist in 7C zu sehen. Zu beachten ist, dass die kombinierte Verzögerung eines Hohlleitertunnels der mittleren Schicht 720 und der echten Verzögerung der untersten Schicht 730 den bekannten Verzögerungswert der echten Verzögerung der Zellenanordnung 320 ergibt. Alle kombinierten Schichten, die die Zellenanordnung 320 erzeugen, sind in 7D zu sehen.
8A zeigt eine Zellenanordnung 320, die aus acht offenen Hohlleiterantennen besteht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit acht Hohlleitern von unterschiedlicher Länge verbunden sind, die durch ein einfallendes Feld belichtet werden. Die Ausleuchtung stellt das Signal dar, das von einem Radar gesendet wird. Die verschiedenen Längen der Hohlleiter werden durch Kurzschließen jedes Hohlleiters auf die gewünschte Länge erreicht. Das räumliche Muster der reflektierten Welle wird in 8B gezeigt. Das räumliche Muster zeigt, dass jede Zelle die belichtende Welle erfasst hat und eine Welle gemäß der Länge der echten Verzögerung neu gesendet hat. Ein Belichten einer mehrzelligen Struktur mit einem Radarsignal, wie zum Beispiel ein gepulstes Signal oder ein Dauerstrichsignal, generiert die verschiedenen Ausgangssignale, wie zum Beispiel verzögerte Impulse oder Taktfrequenzen, aus denen das Radarbild oder Zielprofil erzeugt werden können. Zu beachten ist, dass die Längenunterschiede zwischen den Hohlleitern in einer Ausführungsform so ausgewählt wurden, dass die neu gesendete Energie um 30 Grad gelenkt wurde, wie in 8C zu sehen ist. Das heißt, in jeder der Zellen kann absichtlich eine Phasenverschiebung eingeführt werden, um die Richtung des neu gesendeten Signals zu ändern. Die Zellen können jedoch hinsichtlich der Phasenverschiebungen zwischen den Zellen zufällig verteilt werden, um eine Strahllenkung der reflektierten Welle zu vermeiden. Die relativ hohen Streufeldstärken hinter den Hohlleitern, zu sehen in 8B, können wunschgemäß reduziert werden. Diese Reduzierung kann erreicht werden, in dem radarabsorbierende Materialien um die Zellenöffnungsweiten platziert werden.
Neben den von dem Ziel und der Struktur reflektierten Frequenzen kann die Amplitude der reflektierten Welle verwendet werden, um zusätzliche Informationen über das Ziel zu erlangen. In dem Fall eines frequenzmodulierten Dauerstrichradars kann die empfangene Frequenz, die einer bestimmten Zelle entspricht, eine niedrigere Amplitude haben, wenn die Zelle teilweise blockiert ist. Der Grad der Dämpfung kann beim Bestimmen des Ausmaßes der Blockade durch das Ziel helfen. Das gedämpfte Signal kann auch verwendet werden, um die räumliche Auflösung jenseits der Zellengröße weiter zu verstärken. Die Signaldämpfung kann auch verwendet werden, um Materialeigenschaften zu erfassen. Bei einem hochleitfähigen metallischen Ziel geben die blockierten Zellen wenig oder gar keine Energie ab. Wenn das Ziel aus anderen, nur teilweise absorbierenden Materialien besteht, sind durch das Ziel blockierte Zellen in der Lage, etwas von der Energie an das Radar zurück zu reflektieren. Auf diese Weise kann das System zur Charakterisierung der Materialzusammensetzung des Ziel verwendet werden, insbesondere bei der Radar-Arbeitsfrequenz. Zu beachten ist, das ein teilweise transparentes Objekt den Radarstrahl nicht behindert, wodurch ermöglicht wird, dass das entsprechende zurückgegebene Signal (z.B. Taktfrequenzkomponenten in einem frequenzmoduliertem Dauerstrichradar oder verzögerte Impulse in Pulsradar) sich zeigt, wenn auch in gedämpfter Form. Wenn die Amplitudeninformationen berücksichtigt werden, wird das Bild des Zielobjekts immer noch generiert, wenn festgestellt wird, dass die entsprechenden Frequenzen aufgrund der Dämpfung mit geringerer Leistung zurückgegeben werden. Das gedämpfte Signal kann Informationen über die Transparenz des Objekts bereitstellen, das durch das Material, seine Dicke und seine Form bestimmt wird.
Das System kann auch beim Bestimmen der Zieldicke helfen. Die Merkmale des zurückgegebenen Signals hängen bei einigen Materialien von der Zieldicke ab. In dem Fall von Zellen, die teilweise blockiert oder teilweise transparent sind, werden Referenz-Frequenzsignale und zusätzliche Taktfrequenzsignale generiert, die einer Energie entsprechen, die mehrmals zwischen den Zellen hin und her verläuft. Diese Informationen können in diesen Fällen verwendet werden, um die Zieldicke zu bestimmen. Ferner können im Fall eines Dauerstrichradars teilweise blockierte Zellen Frequenzen generieren, die Wellen entsprechen, die mehrmals zwischen den Zellen hin und her verlaufen, bevor sie durch das Radar empfangen werden. Diese Frequenzen geben an, dass sie nicht vollständig blockiert sind, wodurch die räumliche Auflösung auf eine Größe unterhalb der Zellengröße verbessert wird. Eine räumliche Auflösung, die besser als die Wellenlänge ist, kann erreicht werden, wenn die Entfernung des blockierenden Objekts von der Öffnungsweite der Verzögerungsleitung kürzer als eine Wellenlänge ist, und wenn die Öffnungsweitengröße der Verzögerungsleitungen selbst kleiner als eine Wellenlänge ist. Das Limit der räumlichen Auflösung ist die Öffnungsweitendimension, solange die Verzögerungsleitung in der Lage ist, eine Welle an die vorgegebene kleine Öffnungsweitendimension zu leiten.
Die Zellenanordnung 320 kann auch konfiguriert werden, um eine strichcodeähnliche Vorrichtung zu erstellen. Die strichcodeähnliche Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 9 gezeigt. Diese flache Vorrichtung hat neun Patchantennen und neun gedruckte Übertragungsleitungen, wobei jede Übertragungsleitung mit einer Antenne verbunden ist. Durch Verwenden einer phasengesteuerten Anordnung oder einer Brennpunktebenenanordnung kann der Strahl des Radars auf jede der Zellen separat fokussiert oder gerichtet werden. In diesem Fall können andere Anwendungen, wie zum Beispiel ein drahtloser Strichcode, umgesetzt werden. Jede Zelle kann mit einer bestimmten Länge verbunden werden, und Wiederholungen zwischen echten Verzögerungslängen sind zulässig, da der Strahl auf eine bestimmte Zelle gerichtet ist und ihre Verzögerung liest, wodurch ein numerischer Wert auf Grundlage der Verzögerung generiert wird. Diese numerischen Werte können zu einem Strichcodewert kombiniert werden. Da die Gesamtanzahl von Möglichkeiten, selbst bei einer geringen Anzahl von Zellen, sehr groß ist, kann eine strichcodeähnliche Vorrichtung umgesetzt werden.
Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Verbessern der Auflösung für Ziele, die kleiner als die Zellenanordnung sind, wird in 10 gezeigt. Wenn ein kleines Ziel vor einer mehrzelligen Struktur platziert wird und nur eine kleine Anzahl von Zellen blockiert, kann die Auflösung des gebildeten Bilds verbessert werden, indem eine erste Linse 910 und eine zweite Linse 920 hinzugefügt werden, wobei das Ziel 390 zwischen den Linsen platziert wird und die Zellenanordnung 320 nach der zweiten Linse 920 angeordnet wird, wie gezeigt. Auf diese Weise ist die auf die Zellen projizierte Form des Ziels größer, und es werden mehr Zellen effektiv blockiert. Dieses Linsensystem führt zu einer Verbesserung der Bildauflösung im Vergleich zu dem Fall ohne Linsen.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, wird einem Fachmann klar sein, dass es andere Ausführungsformen gibt, die den beschriebenen Ausführungsformen gleichwertig sind. Dementsprechend sollte klar sein, dass die Erfindung nicht durch die spezifischen veranschaulichten Ausführungsformen einzuschränken ist, sondern nur durch den Schutzumfang der Ansprüche im Anhang.
Zwar ermöglicht die vorhergehende schriftliche Beschreibung der Erfindung einem Fachmann die Nutzung dessen, was gegenwärtig als der beste Modus davon betrachtet wird, doch wird dem Fachmann das Vorhandensein von Variationen, Kombinationen und Entsprechungen der speziellen Ausführungsform, des Verfahrens und der Beispiele hierin klar und bewusst sein. Die Erfindung sollte daher nicht durch die oben beschriebene Ausführungsform, das Verfahren und Beispiele eingeschränkt werden, sondern durch alle Ausführungsformen und Verfahren innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. In dem für das Verständnis oder die Vervollständigung der Offenbarung der vorliegenden Erfindung notwendigen Ausmaß sind alle hierin erwähnten Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen ausdrücklich durch Verweis hierin in demselben Umfang so aufgenommen, als ob sie einzeln aufgenommen worden wären.
Nach der Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird dem Fachmann klar sein, dass die Offenbarungen hierin nur beispielhaft sind, und dass verschiedene andere Alternativen, Anpassungen und Modifizierungen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen, wie hierin veranschaulicht, beschränkt, sondern wird nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Vorrichtung zur Bildgebung, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Radarsender, der konfiguriert ist, um ein Radarsignal zu senden; eine erste Zelle, die eine erste Antenne und ein erstes Verzögerungselement aufweist, wobei die erste Zelle konfiguriert ist, um das Radarsignal von dem Radarsender zu empfangen und das Radarsignal nach einer ersten bekannten Zeitverzögerung von dem ersten Verzögerungselement neu zu senden; und einen Radarempfänger, der konfiguriert ist, um das neu gesendete Radarsignal von der ersten Zelle zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Verzögerungselement eine echte Verzögerung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radarempfänger die Schritte ausführt zum: Bestimmen eines ersten Pixelwerts, wobei der erste Pixelwert auf der ersten bekannten Zeitverzögerung und einer Amplitude des empfangenen neu gesendeten Radarsignals beruht. Schattieren einer Bildposition des ersten Pixelwerts auf Grundlage der Position der ersten Zelle.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radarsender ein Dauerstrichsender ist, und die erste Zelle konfiguriert ist, um eine bekannte Taktfrequenz an dem Radarempfänger aus dem gesendeten Radarsignal und dem neu gesendeten Radarsignal zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Radarsignalsender ein gepulster Sender ist, und der Radarempfänger ein Bild des Ziels aufbaut, indem er die Amplitude des neu gesendeten Radarsignals mit der ersten bekannten Zeitverzögerung bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine zweite Zelle, wobei die zweite Zelle eine zweite Antenne und ein zweites Verzögerungselement aufweist, wobei die zweite Zelle konfiguriert ist, um das Radarsignal von dem Radarsender zu empfangen und das Radarsignal nach einer zweiten bekannten Zeitverzögerung von dem zweiten Verzögerungselement neu zu senden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Antenne eine Hohlleiterantenne aufweist, und das erste Verzögerungselement einen Hohlleiter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Antenne eine Patchantenne aufweist, und das erste Verzögerungselement eine Mikrostreifenleitung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine erste Linse und eine zweite Linse, wobei die erste Linse und die zweite Linse sich zwischen der ersten Zelle und dem Radarsender befinden.
Verfahren zur Bildgebung, wobei das Verfahren aufweist: Senden eines ersten Radarsignals durch einen Radarsender; Empfangen von mindestens einem Abschnitt des Radarsignals an einer ersten Antenne einer ersten Zelle; Generieren eines ersten zeitverzögerten Signals durch ein erstes Verzögerungselement auf Grundlage des empfangenen mindestens einen Abschnitts des Radarsignals; neues Senden des ersten zeitverzögerten Signals durch die erste Antenne der ersten Zelle; Empfangen des mindestens einen Abschnitts der ersten zeitverzögerten Signals durch einen Radarempfänger; und Aufbauen eines Bilds, wobei das Aufbauen des Bilds ein Bestimmen des Fehlens eines Ziels auf Grundlage des Vorhandenseins der ersten zeitverzögerten Signals und des Vorhandenseins eines Ziels auf Grundlage des Fehlens des ersten zeitverzögerten Signals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das erste Verzögerungselement eine echte Verzögerung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Aufbauen eines Radarbilds durch das Radar aufweist: Bestimmen eines ersten Pixelwerts, wobei der erste Pixelwert auf dem ersten zeitverzögerten Signal beruht; und Schattieren der Bildposition des ersten Pixelwerts auf Grundlage einer ersten Position der ersten Zellenantenne.
System zur Bildgebung, wobei das System aufweist: ein Radar, wobei das Radar aufweist: einen Radarsender, der konfiguriert ist, um ein Radarsignal zu generieren, und einen Radarempfänger; und eine Zellenanordnung, wobei die Zellenanordnung aufweist: eine erste Zelle, wobei die erste Zelle eine erste Antenne und ein erstes Verzögerungselement aufweist, das mit der ersten Antenne verbunden ist, wobei die erste Antenne und das erste Verzögerungselement konfiguriert sind, um das Radarsignal zu empfangen, ein erstes zeitverzögertes Radarsignal durch das erste Verzögerungselement zu generieren, und das erste zeitverzögerte Radarsignal so zu senden, dass mindestens ein Abschnitt des ersten zeitverzögerten Radarsignals an dem Radarempfänger eintrifft, und eine zweite Zelle, wobei die zweite Zelle eine zweite Antenne und ein zweites Verzögerungselement aufweist, das mit der zweiten Antenne verbunden ist, wobei die zweite Antenne und das zweite Verzögerungselement konfiguriert sind, um das Radarsignal zu empfangen, ein zweites zeitverzögertes Radarsignal durch das zweite Verzögerungselement zu generieren, und das zweite zeitverzögerte Radarsignal so zu senden, dass mindestens ein Abschnitt des zweiten zeitverzögerten Signals an dem Radarempfänger eintrifft.
System nach Anspruch 13, wobei das erste Verzögerungselement eine echte Verzögerung ist, und das zweite Verzögerungselement eine echte Verzögerung ist.
System nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Radarempfänger ein Radarbild aufbaut durch Bestimmen eines ersten Pixelwerts, wobei der erste Pixelwert auf dem ersten zeitverzögerten Radarsignal beruht; durch Bestimmen eines zweiten Pixelwerts, wobei der zweite Pixelwert auf dem zweiten zeitverzögerten Signal beruht; und durch Anordnen des ersten Pixelwerts und des zweiten Pixelwerts in einem Bild, indem eine erste Bildposition des ersten Pixelwerts auf Grundlage der Position der ersten Zelle schattiert wird, und eine zweite Bildposition des zweiten Pixelwerts auf Grundlage der Position der zweiten Zelle schattiert wird.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei: der Radarsender konfiguriert ist, um einen ersten Strahl auf die erste Zelle zu richten und einen zweiten Strahl auf die zweite Zelle zu richten; und der Radarempfänger konfiguriert ist, um einen ersten numerischen Wert auf Grundlage des ersten zeitverzögerten Radarsignals zu erfassen, einen zweiten numerischen Wert auf Grundlage des zweiten zeitverzögerten Radarsignals zu erfassen, und den ersten numerischen Wert und zweiten numerischen Wert zu einem elektronischen Strichcodewert zu kombinieren.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die erste Antenne und die zweite Antenne sich auf einer ersten Schicht befinden, und die erste echte Verzögerung und die zweite echte Verzögerung sich auf einer zweiten Schicht befinden.
System nach Anspruch 17, wobei die erste Antenne mit der ersten echten Verzögerung durch einen ersten dünnen Tunnelhohlleiter verbunden ist, und die zweite Antenne mit der zweiten echten Verzögerung durch einen zweiten dünnen Tunnelhohlleiter verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der Radarsender ein Dauerstrichsender ist, wobei die erste Zelle konfiguriert ist, um eine erste bekannte Taktfrequenz an dem Radarempfänger zu erzeugen, und die zweite Zelle konfiguriert ist, um eine zweite bekannte Taktfrequenz an dem Radarempfänger zu erzeugen.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die erste Antenne eine Hohlleiterantenne aufweist, und das erste Verzögerungselement einen Hohlleiter aufweist, und wobei die zweite Antenne eine Hohlleiterantenne aufweist, und das zweite Verzögerungselement einen Hohlleiter aufweist.