DE19511982A1 - Image generating radar system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein bildgebendes Radar nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for an imaging radar the preamble of claim 1.
Die bisher bekannten Radargeräte arbeiten nach einem räumlichen Abtastprinzip. Das bedeutet, daß ein Strahlenbündel mit relativ kleinem Öffnungswinkel einen bestimmten Raumwinkel in der Zeit abtastet und die aus den verschiedenen Raumwinkeln kommenden Signale nach ihrer Laufzeit gestaffelt auf einem Bildschirm angezeigt werden.The previously known radar devices work according to a spatial Scanning principle. This means that a beam of rays with a relatively small Opening angle scans a certain solid angle in time and the signals coming from the different solid angles according to their Runtime can be displayed in stages on a screen.
Für ein Radar, welches zur Erkennung und Identifizierung von Objekten im Nahbereich von 10-500 m eingesetzt werden soll, ist dieses Prinzip nicht unbedingt optimal. Insbesondere da kein Rundsichtradar benötigt wird, sondern nur ein Gerät, welches die Objekte in einem kleinen Raumwinkelbereich, welcher in Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffes liegt, interessant ist. Es hat sich gezeigt, daß supraleitende Antennen als Empfangsantennen hervorragend geeignet sind.For a radar used to detect and identify objects This principle is to be used in the close range of 10-500 m not necessarily optimal. Especially since no round-robin radar is required is, but only a device that objects in a small Solid angle range, which is in the forward direction of a vehicle, Plane or ship, is interesting. It has been shown that superconducting antennas are ideally suited as receiving antennas are.
Supraleitende Antennen sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von H. Chaloupka, et al.: "Miniaturized High-Temperature Superconductor Microstrip Patch Antenna" aus IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 9, Sept. 1991, S. 1513-1520, bekannt.Superconducting antennas are, for example, from the publication of H. Chaloupka, et al .: "Miniaturized high-temperature superconductor Microstrip Patch Antenna "from IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 9, Sept. 1991, pp. 1513-1520.
Eine allgemeine Einführung findet sich in Meinke, Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1968, S. N46-N61.A general introduction can be found in Meinke, Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4th edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1968, pp. N46-N61.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für ein bildgebendes Radar anzugeben, welche in einem relativ kleinen Raumwinkelbereich eine möglichst gute Abbildung der sich dort befindenden Objekte ermöglicht. It is therefore an object of the invention to provide an arrangement for a imaging radar to indicate which is in a relatively small Solid angle area as good a picture as possible of there objects located.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved in the characterizing part of claim 1 mentioned features solved. Developments of the invention are in the Subclaims specified.
Die Erfindung eignet sich für die automatische Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere zur Identifizierung von Hindernissen, welche ein Gefahrenmoment darstellen können und in der einfachsten Ausführung als Abstandsradar im Straßenverkehr.The invention is suitable for the automatic control of Vehicles, in particular for identifying obstacles which can represent a moment of danger and in the simplest Distance radar in road traffic.
Die Mikrowellenstrahlung wird vom Sender zunächst auf ein Antennenarray abgebildet, welches beispielsweise in der Brennebene einer Linse liegt. Die Einzelantennen des Arrays empfangen dabei bereits ein Signal, welches eine Ortsauflösung ermöglicht. Die Sendeantenne wird beispielsweise als Hornantenne hinter dem Antennenarray angebracht. Zum Umsetzen der empfangenen Strahlung wird die durch die Empfangsantennen aufgenommene Mikrowellenenergie der Sendeantenne verwendet. Der Sender ersetzt dabei den Lokaloszillator. Die Zuführung der Lokaloszillatorfrequenz erfolgt durch die Sendeantenne im Freifeld. Zur Erzeugung der Zwischenfrequenz können nichtlineare Bauelemente direkt in die Antenne integriert werden. Die Leitungen von den Einzelempfangsantennen zum Demodulator führen nur noch die Zwischenfrequenz. Bei Verwendung von Supraleitern für die Antennen- und Umsetzerstrukturen lassen sich aufgrund der geringen Verluste des Supraleiters sehr kleine Antennendimensionen realisieren. Damit wird die Ortsauflösung verbessert ohne daß die Systemleistung verringert wird.The transmitter initially switches the microwave radiation on Antenna array mapped, which for example in the focal plane a lens. The individual antennas of the array are already receiving a signal that enables spatial resolution. The transmitting antenna will for example attached as a horn antenna behind the antenna array. In order to convert the received radiation, the Received microwave energy of the transmitting antenna used. The transmitter replaces the local oscillator. The feeder the local oscillator frequency takes place through the transmitting antenna in the free field. Nonlinear components can be used to generate the intermediate frequency can be integrated directly into the antenna. The lines from the Single receiving antennas to the demodulator only lead the Intermediate frequency. When using superconductors for the antenna and converter structures can be due to the low losses of the Realize superconductor very small antenna dimensions. With that the Improved spatial resolution without reducing system performance.
Wenn die Zwischenfrequenzzuleitungen zu den Einzelantennen parallel ausgeführt werden, wirken sie wie ein Polarisationsgitter. Sie lassen elektromagnetische Wellen mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung passieren. Damit ist eine bessere Diskriminierung von Fremdstrahlung möglich.If the intermediate frequency leads to the individual antennas are parallel executed, they act like a polarization grating. You leave electromagnetic waves with electrical field components perpendicular pass to the ladder structure with low attenuation. So that's one better discrimination against extraneous radiation possible.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained below with reference to the drawing.
Dabei zeigt:It shows:
Fig. 1 die grundlegende Anordnung; Fig. 1 shows the basic arrangement;
Fig. 2 die Art der Einspeisung mit einem Hohlleiter; Figure 2 shows the type of feed with a waveguide.
Fig. 3 die Speisung über einen Spiegel; Fig. 3, the supply of a mirror;
Fig. 4 das Prinzip der Kühlung des Antennenarrays; FIG. 4 shows the principle of cooling of the antenna array;
Fig. 5 ein Blockschaltbild der Antenne; Fig. 5 is a block diagram of the antenna;
Fig. 6 das Prinzip des Strahlengangs; Fig. 6 shows the principle of the beam path;
Fig. 7 Beispiele für Antennen und Fig. 7 examples of antennas and
Fig. 8 das Prinzip des Mischers. Fig. 8 the principle of the mixer.
Die grundlegende Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die vom Sender 1 ausgestrahlten Wellen werden durch das Array 2 nur unwesentlich absorbiert. Sie erzeugen dort aber eine Spannung, welche sonst durch einen lokalen Oszillator erzeugt werden müßte, um die empfangenen Signale zu demodulieren. Die Wellen gelangen dann über die Linse 3 zum Objekt, von dem sie reflektiert werden. Sie gelangen dann wieder über die Linse 3 auf das Antennenarray 2.The basic arrangement is shown in Fig. 1. The waves emitted by the transmitter 1 are only insignificantly absorbed by the array 2 . However, they generate a voltage there which would otherwise have to be generated by a local oscillator in order to demodulate the received signals. The waves then pass through the lens 3 to the object from which they are reflected. You will then reach the antenna array 2 again via the lens 3 .
In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Wellen aus einem Hohlleiter über eine Kollimatorlinse 4 durch das Array 2 auf die Linse 3 abgebildet werden. Die Linse 3 ist je nach Einsatzbereich verschieden groß. Für Kfz-Einsatz hat sie einen Durchmesser von 5-30 cm, für Flugzeuge sollte der Durchmesser etwas größer sein und etwa 60 cm betragen. Eine größere Linse bedeutet höheren Gewinn der Einzelantennen und höhere Direktivität. Als Material für die Linse kommen Materialien wie Teflon, Saphir, Quarz u. ä. in Frage. Die Wellen im Frequenzbereich von 60-100 GHz sollen die Linse möglichst verlustfrei durchlaufen. Dabei sind Frequenzen von 60 GHz für kurze Entfernungen aufgrund der hohen Dämpfung in der Atmosphäre interessant. Außerdem findet nur eine geringe Störung durch Geräte mit gleicher Frequenz statt. Der Bereich von 100 GHz und darüber ist interessant für hohe Auflösungen, soweit Bauteile verfügbar sind, welche für diese hohe Frequenz geeignet sind.In Fig. 2 shows how the shafts are mapped from a waveguide through a collimator lens 4 by the array 2 to the lens 3. The lens 3 is different in size depending on the area of application. For automotive use it has a diameter of 5-30 cm, for airplanes the diameter should be slightly larger and be about 60 cm. A larger lens means higher gain of the individual antennas and higher directivity. Materials such as teflon, sapphire, quartz and the like come for the lens. Ä. in question. The waves in the frequency range of 60-100 GHz should pass through the lens with as little loss as possible. Frequencies of 60 GHz are interesting for short distances due to the high attenuation in the atmosphere. In addition, there is little interference from devices with the same frequency. The range of 100 GHz and above is interesting for high resolutions, insofar as components are available that are suitable for this high frequency.
Abhängig von Auflösung und "Tiefenschärfe" werden die Abstände zwischen Antennenarray und Linse zweckmäßig im Bereich von 1,5-30 cm gewählt.The distances are dependent on the resolution and "depth of field" expedient in the range of 1.5-30 between antenna array and lens cm selected.
Zur Zeit sind Antennenarrays von bis zu 10 cm Durchmesser technisch realisierbar. Man wird selbstverständlich die Arrays einsetzen, welche die höchste Auflösung und die größte wirksame Fläche aufweisen. Um eine möglichst große Auflösung zu erzielen, werden supraleitende Einzelantennen eingesetzt. Antenna arrays with a diameter of up to 10 cm are currently technical realizable. Of course you will use the arrays, which ones have the highest resolution and the largest effective area. In order to achieve the highest possible resolution, superconducting Individual antennas used.
Um die Anordnung etwas zu verkürzen, wird die Fokussierung der vom Sender ausgesandten Wellen durch einen Hohlspiegel 5 fokussiert (siehe Fig. 3).In order to shorten the arrangement somewhat, the focusing of the waves emitted by the transmitter is focused by a concave mirror 5 (see FIG. 3).
Das supraleitende Antennenarray wird mittels Gas aus einem Kryostaten gekühlt. Die entsprechende Anordnung zeigt Fig. 4. Die Wände 6 und 7 des Dewargefäßes für die Kühlung sind für die hochfrequenten Wellen durchlässig. Im Dewargefäß herrschen Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff.The superconducting antenna array is cooled by gas from a cryostat. The corresponding arrangement is shown in FIG. 4. The walls 6 and 7 of the dewar for cooling are permeable to the high-frequency waves. Temperatures in the Dewar vessel are close to the boiling point of liquid nitrogen.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Einzelantenne. Die vom frequenzmodulierten Sender ausgehenden Wellen gelangen vom Strahler 1 zum Mischer und über den Umweg über das Ziel und die Empfangsantenne ebenfalls zum Mischer. Dort wird die Zwischenfrequenz im Basisband erzeugt und in einem weiteren Teil der Elektronik ausgewertet. Daraus lassen sich dann die für diesen Bildpunkt wichtigen Informationen über die Dopplerverschiebung und die Phasenlage, d. h. Geschwindigkeit und Laufzeit bestimmen. Die Bildwiedergabe auf einem Bildschirm kann außer der Intensität der Bildpunkte aufgrund einfacher Berechnungen auch die Entfernung der Objekte umfassen, beispielsweise mit Farben (rot = nah, blau = fern). Das abgestrahlte Signal muß dazu natürlich moduliert sein, entweder in einem Pulscode, oder nach einem Amplituden-, Frequenz-, oder Phasenmodulationsverfahren. Die Geschwindigkeit kann mit einer Blinkfrequenz dargestellt werden. Fig. 5 shows a block diagram of the single antenna. The waves emanating from the frequency-modulated transmitter go from the radiator 1 to the mixer and via the detour via the target and the receiving antenna also to the mixer. There the intermediate frequency is generated in the baseband and evaluated in another part of the electronics. From this, the information about the Doppler shift and the phase position, ie speed and transit time, that is important for this pixel can be determined. In addition to the intensity of the pixels, the image reproduction on a screen can also include the distance of the objects based on simple calculations, for example with colors (red = close, blue = far). For this purpose, the emitted signal must of course be modulated, either in a pulse code, or according to an amplitude, frequency or phase modulation method. The speed can be displayed with a flashing frequency.
Der prinzipielle Strahlengang ist in Fig. 6 dargestellt. Der Sendezweig ist so aufgebaut, daß die vom Strahler 1 ausgehenden Wellen die Linse 3 durchlaufen. Auf diese Weise sind sie bereits vor dem Ziel 8 sehr stark divergent. Die am Ziel 8 reflektierten Wellen gelangen wiederum über die Linse 3 auf das Antennenarray 2, in welchem die Mischung und Bildung der Zwischenfrequenz erfolgt.The basic beam path is shown in Fig. 6. The transmission branch is constructed such that the waves emanating from the radiator 1 pass through the lens 3 . In this way, they are very divergent even before goal 8 . The waves reflected at the target 8 again pass through the lens 3 to the antenna array 2 , in which the intermediate frequency is mixed and formed.
In Fig. 7 sind einige Beispiele für Antennen aufgeführt:In Fig. 7 are some examples of antennas:
- a) eine Schmetterlingsantenne mit BIAS-Zuleitung + ZF-Leitung,a) a butterfly antenna with BIAS cable + ZF management,
- b) ein Mischer, welcher als Josephson-Kontakt 9 ausgeführt ist undb) a mixer which is designed as a Josephson contact 9 and
- c) ein Mischer als Hybrid mit einer Halbleiterdiode 10.c) a mixer as a hybrid with a semiconductor diode 10 .
Die leitenden Teile der Antenne bestehen aus supraleitendem Material. Für die beiden Ausführungsformen 7b und 7c sind in Fig. 8 noch einmal die prinzipiellen Schaltungen gezeigt. Das Empfangssignal wird zu dem Signal vom Lokaloszillator LO addiert, an dem nichtlinearen Bauelement 9 bzw. 10 gemischt und damit die Zwischenfrequenz erzeugt. Diese wird in der oben beschriebenen Weise weiterverarbeitet.The conductive parts of the antenna are made of superconducting material. The basic circuits for the two embodiments 7 b and 7 c are shown again in FIG. 8. The received signal is added to the signal from the local oscillator LO, mixed on the non-linear component 9 or 10 and thus the intermediate frequency is generated. This is processed in the manner described above.
Die supraleitenden Arrays haben eine hohe Auflösung, die durch elektrisch kleine Einzelantennen erreicht wird. Durch die hohe Güte der in Resonanz betriebenen Antennen ist das Verkleinern der Antennen möglich, ohne die Systemleistung zu vermindern. Anpassungsnetzwerk und Resonanzstruktur sind in der Antenne verwirklicht.The superconducting arrays have a high resolution electrically small individual antennas is reached. Due to the high quality of the antennae operated in resonance is the scaling down of the antennas possible without reducing system performance. Adaptation network and resonance structure are realized in the antenna.
Zur Zeit ist eine Auflösung von 50-200 Bildpunkten wirtschaftlich durchführbar. In Zukunft werden allerdings wesentlich höhere Auflösungen zur Verfügung stehen. Dazu kann gegebenenfalls die Sendefrequenz erhöht werden und Wellenlängen von der Größenordnung von 1 mm und darunter verarbeitet werden. Damit wäre auch eine Verbesserung der Auflösung bis zum Faktor 10 ohne weiteres gegeben.A resolution of 50-200 pixels is currently economical feasible. In the future, however, will be much higher Resolutions are available. If necessary, the Transmission frequency can be increased and wavelengths of the order of magnitude of 1 mm and below can be processed. That would be one Resolution of up to a factor of 10 is readily given.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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