DE2554004A1

DE2554004A1 - Anordnung zur ermittlung eines ziels aus metall

Info

Publication number: DE2554004A1
Application number: DE19752554004
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Johnson
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1974-12-02
Filing date: 1975-12-01
Publication date: 1976-08-12
Also published as: JPS55136975A; FR2293717A1; IL48533A0; IL48533A; GB1493659A; FR2293717B3; JPS5185393A; US3972042A

Description

2554004 DIpL-PHyS-O-E. Weber d-8 München 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

5725 ITortli East River Road Chicago, 111. 6Q6y\ U 3 A

Anordnung zur Ermittlunrg eines 3IeIs au

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Die JarfindiHi'j; betriff τ allgemein eine Anordnung zur Ermittlung eines Ziels aus Metall und bezieht sich insbesondere auf ein solches System, welches dazu dient, eine Jreitbandtao.'iiil: oder eine Technik mit verbreitertem Spektrum dazu zu verwenden, das Srinibteln eines Ziels oder allgemein eines Gegenstandes zu fördern .

Das Phänomen sogenannter vii'tueller Dioden, weiches bei metallischen Verbindungen oder über.iän^en auftritt, ist seit langer Zeit bekannt. Dieses i-Ierloaal metallischer ü'berr;änc;e oder Yerbindun^en ist bereits dazu verwendet v;orden, auf elektronischem 'iecje metallische Ziele oder Gegenstände von de]" nichtmetallischen Umg zu unterscheiden, wobei entsorechende Methoden seit der

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hitte der 50er-Jahre mit unter3ci.1iedlJd.1em Erfolg angewandt wurden. Der Abtasbbereicii für eine vorgegebene Energie im Bestrahlung signal ist bisher recht begrenzt gewesen. Die veraalir-'iiijtiuUSi·'·; -"geringen Eriiofiingersignalpegel lassen bisher bekannte Systeme insbesondere .i;o;:en Störungs- oder andere· unerwünschte 0i.3m.le empfindlich werden. 3ei bisher bekannten Systemen ist versucht worden, hohe metallische uber-■;'.iii',-e oder '/erbindungen im Ziel zur Sättigunc: zu bringen oder unwirksam werden zu linsen.. Ua diese Gchv/ierigkeiten sit überwinden, sind in einigen Systemumgebungeii, v/o das Ziel bereits solche Eigenschaften hatte, daß es mit deα Abgleich bzw. ausgleich des 0,73terns zusammenarbeitete, absichtlich nicht-lineare Elemente mit höherem V/irkungsgrad auf dem Siel angebracht worden. Dies ist ,iedoch bei Ungebunden, welche nicht mit dem Ziel zusammenwirken, selten zweckmäßig.

aufgäbe der Erfindung ist es, eine -Anordnung aur Ermittlung; eines Ziels der oben näher erläuterten .irt zu schaffen, welche bei einfachen Aufbau und besonders ^erin^er Störanfälligkeit aui3erordentlich zuverlässig und empfindlich arbeitet, und zwar auch über groiere Entfernungen.

Zux¹ Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentbegehren niedergelegten Kerlcmale.

Jach dem Grundgedanken der Erfindung werden Signalquellen mit einem '•Ireitbandaoecctruni oder mit einem verbreiterten Spektrum verwendet, und zwar in Verbindung mit einer Komprimierung im Demodulator des Empfängers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführun^sform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Modulationsverfahren verwendet wird, welches eine Breitband-Modulation oder eine Hodulation mit verbreitertem Spektrum des bestrahlungssignals verwendet, so daß die Übertragung von Signalen mit geringeren Snitzenenergiepegeln von der Bestraiilungseinrichtung ermöglicht wird.

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Geir.ü3 einer weiteren bevorzugen äusführun^sform der Erfind.uni ist vorgesehen, da 3 eine Korrelakionstechnik dazu verwendet wird, das empfangene Signal zu komprimieren, ura das Signal-Rausch-Verhältnis im Detektor bzw. Demodulator des Empfängers zu verbessern, ohne daß die Notwendigkeit besteht, einen Sender zu verwenden, welcher ein Signal mit hohem Ener^iepe^el

Das erfindun_;3sgemä3e .System unterscheidet somit zwischen Zielen, welche nichtlineare Metallelementenüberf^änrce haben einerseits und der nichtmetallischen Umgebung andererseits. Es wird ein 3reitband-Bestrahlungssend'3r oder ein Sender mit einem verbreiterten Soektruni in Verbindung mit Korrrelationsschaltun-^eii in einen Enioiän^ej? verwendet, un dessen Signal-^tauisch-Yerhältij.i.3 "Z."* "rerrcesosm und um Soitzenener^ie'De^el in dem zur JLusiT oder Bestrahlung dienenden Sender¹ zu verringern.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der •Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 ein Punktionsblockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Pig. 1 und

Fig. 3 die Spektralcharakteristik der Signale der Anordnung gemäß Pig. 2.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Pig. 1 dargestellt. Ein Strahlungssystem lO, welches aus einem Sender 11 und einer Antenne 12 gebildet ist, ist in der Weise angeordnet, daß es ein Ziel 2 bestrahlen kann, welches eine in entsprechender Weise hergestellte Metallkonstruktion aufweist, die in der Pig. 1 in vergrößerter Porm als Ausschnitt 6 veranschaulicht ist. Der Ausschnitt ist für Ziele typisch, die im Zusammenhang mit der Erfindung von Interesse sind. Es sind wenigstens zwei Metallteile vorhanden, welche durch Nieten, Schrauben oder ähnliche Teile wie 7 miteinander verbunden sind. Aufgrund der Unvollkommenheiten des Entwurfs, der Konstruktion und der Anordnung ist ein schmaler Spalt zwischen den zwei aneinander befestigten Metallteilen vorhanden. Dieser Spalt kann als Diode-Widerstand-Netzwerk 4- aufgefaßt werden, dessen Ersatzschaltbild bei 4-schematisch dargestellt ist. Der Spalt führt in unveränderter Weise dazu, daß der Ausschnitt 6 eine nichtlineare Charakteristik des entsprechenden Netzwerks 4· zeigt.

Aufgrund der nichtlinearen elektrischen Eigenschaften des Ausschnitts strahlt dieser bei Bestrahlung mit einer einzelnen festen Frequenz vom Strahlungssystem 10 ein Signal 9 aus, welches die Tendenz hat, daß es starke ungerade Harmonische

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aufweist. Es zeigt sich, daß im allgemeinen die stärkste dieser ungeraden harmonischen Komponenten die dritte harmonische Komponente ist, welche mit einer Frequenz auftritt, welche dem Dreifachen der Frequenz entspricht, welche vom Strahlungssystem 10 ausgestrahlt wird. Wenn auch die dritte harmonische Komponente die stärkste der in der Strahlung 9 abgestrahlten harmonischen Komponenten ist, ist der absolute, Energie^egel, welcher mit der dreifachen Bestrahlungsfrequenz abgestrahlt wird, nur am Rande für die erfindungsgemäßen Leitzwecke nützlich. Die Signalenergiepegel, welche in dem zu dem Fahrzeug 18 gemäß Fig. 1 erneut abgestrahlten Signal enthalten sind, sind gewöhnlich sehr niedrig und von begrenztem Nutzen. Für das Verständnis der Erfindung ist es wesentlich, die Art und Weise zu betrachten, in welcher das Strahlungssystem 10 und das Empfangssystem 14- 'die Signale behandeln, um ihre Nützlichkeit für die gewünschte Leitfunktion zu verbessern.

Zunächst ist das Strahlungssystem 10 räumlich von dem Empfangssystem 14- soweit wie möglich getrennt, so daß das im Strahlungsteil des Systems 1O selbst erzeugte Rauschen das Empfangssystem 14- nicht überlastet. Dadurch wird die effektive Reichweite des Systems verbessert. Jedoch auch mit dieser Verbesserung hat das 87/stera nur begrenzte Reichweite, wenn keine unzweckmäßig hohen Energiepegel vom Strahlungssystem 10 abgestrahlt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann, wenn unnormal hohe Energiepegel auf das Ziel 2 auf treffen, das Spalt-; bzw. Übergangsnetzwerk 4- bzw. die entsprechende Ersatzschaltung in die SättigUiiq geraten würde und im Hinblick auf die erneute Abstrahlung von Energie weniger wirksam würde. Dies ist jedoch nicht erwünscht, da nur ein geringer Teil an Harmonischen abgestrahlt wird, und es ist nicht mehr möglich, eine leichte Unterscheidung zwischen aus Metall hergestellten Zielen und der Umgebung zu treffen, außer mit der Amplitude des abgestrahlten Signals Da es verhältnismäßig leicht ist, das Signal der dritten Harmonischen von dem in entsprechender Weise hergestellten Ziel 2

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aus Metall zu erkennen und abzutrennen, und zwar von dem Signal mit den Grundfrequenzen von in der Umgebung befindlichen Zielen, ist es erwünscht, die nicht lineare ITa tür des Spaltes 4 bei dem aus Metall hergestellten Ziel 2 beizubehalten. Daraus ergibt sich, daß es unerwünscht ist, äußerst hohe Energiepegel zu verwenden, welche dieses Problem hervorrufen.

Gemäß der Erfindung werden niedrigere Energiepegel verwendet, sie werden jedoch in einem Breitbandspektrum oder in einem verbreiterten Spektrum abgestrahlt, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Ein Impulsfolgefrequenz-Generator 40 wird dazu verwendet, den Oszillator 42 zu modulieren. Diese Modulation kann eine Zirp-Modulation sein, welche aus der Radartechnik grundsätzlich bekannt ist. Der Oszillator 42 wird für die Dauer jedes Impulses von dem Generator 40 eingeschaltet, und die Frequenz des Oszillators ändert sich in linearer und vorhersehbarer V/eise während der relativ kurzen Einschaltzeit. Das Spektrum des Ausgangs signals vom Oszillator 42 ist in der Fig. 3 bei A dargestellt. Dieses Breitbandsignal wird der Eingangsklemme eines Spektraldehners 44 gemäß Fig. 2 zugeführt. Diese Einrichtung dient somit zur Verbreiterung des Spektrums. Der Spektraldehner 44 kann ein Oberflächenwellenfilter sein, welches gemäß seinen Eigenschaften eine Zeitverzögerung als Funktion der angelegten Signalfrequenz liefert. Gemäß der Erfindung wird erreicht, daß die Breite der Ausgangsimpulse über die Zeit möglicherweise im Verhältnis von 1000:1 expandiert wird. Deshalb hat das sich dabei ergebende Signal einen verhältnismäßig geringen augenblicklichen Energiewert, es wird jedoch über ein entsprechend langes Zeitintervall ausgesandt. Dieses expandierte Signal wird durch den Leistungsverstärker 46 in seiner Leistung verstärkt und geht dann über ein Tiefpaßfilter 48 zur Antenne 50. Das Tiefpaßfilter 48 begrenzt die übertragenen Signale auf ein Band von Frequenzen um die Grund-

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frequenz der Übertragung (ü . Das verstärkte expandierte Signal wird dann über die Antenne 12 und einen Weg 8 zur Bestrahlung des Ziels 2 ausgesandt. Das Signal 9_} welches in Reaktion auf die eingestrahlte Energie vom Ziel 2 abgestrahlt wird, hat eine starke dritte harmonische Komponente, wie es bei B in der Fig. 3 dargestellt ist.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Signal 9 zur Antenne 16 abgestrahlt wird, welche mit einem Empfänger 14 verbunden ist. Das Signal von der Antenne 16 wird dem Bandpaßfilter 64 für die dritte Harmonische zugeführt, welches einen Teil des Empfängers 14 bildet, wodurch die Frequenzkomponenten außerhalb des gewünschten Bandes unterdrückt werden, und zwar insbesondere die Grundfrequenz des Senders lO, so daß dadurch der Empfänger 14 für die von nichtmetallischen Zielen erneut abgestrahlten Signale mit der Grundfrequenz unempfindlich wird. Jedoch wird das Signal weiterhin in der Zeit expandiert und hat eine sehr geringe Spitzenenergie. Das Signal wird dann dem Eingang des Spektralkompressors 66 zugeführt, der ein weiteres Oberflächenwellenfilter sein kann. Dieses Filter ist derart aufgebaut, daß es eine umgekehrte Charakteristik der Verzögerung in bezug auf die Frequenz gegenüber dem Spektraldehner 44 im Sender 10 hat. Das Ausgangssignal des Spektralkompressors 66 korreliert das Signal zeitmäßig, indem es mit einem hohen Verhältnis komprimiert wird, beispielsweise mit dem Verhältnis 1000 : 1. Das Ergebnis dieser Zeitkomprimierung besteht darin, daß ein Ausgangsimpuls kurzer Dauer und hoher relativer Amplitude an die Detektorschaltungen 68 geliefert wird.

Die Detektorschaltung 68 liefert Leitsignale bzw. Lenkungssignale an das Fahrzeug 18, um es in das Ziel 2 zu steuern.

Im Betrieb ist das Strahlungssystem 10 gemäß Fig. 1 derart gerichtet, daß das Ziel 2 von einer entfernten Stelle aus bestrahlt wird. Das übertragene Signal 8 mit breitem oder

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verbreitertem Spektrum, welches von dem Strahlungssystem 10 ausgesandt wird, bestrahlt das Ziel 2 mit einem Signal, welches eine Bandbreite hat, die gemäß Fig. 3 A auf (jJ zentriert ist. Das gemäß Fig. 1 übertragene Signal 8 wird von dem Ziel 2 in eine Strahlung 9 umgesetzt, und die dritte harmonische Komponente des übertragenen Signals 8 wird durch die nichtlinearen elektrischen Eigenschaften des Ziels 2 erzeugt, wie es oben bereits beschrieben wurde. Das Spektrum des erneut abgestrahlten Signals ist daher bei 3 <t) zentriert, wie es in der Fig. 3 B dargestellt ist. Diese Frequenz 3 6) ist leicht von dem ausgestrahlten Signal mit der Frequenz dJ zu unterscheiden. Das erneut ausgestrahlte Signal 9 und dessen dritte Harmonische haben eine Frequenz, welche bei 3OJ zentriert ist und welche einen viel geringeren Energiepegel hat als das ursprünglich ausgesandte Signal 8.

Das Fahrzeug 18 wird von einem Flugzeug gelöst, und zwar innerhalb des Bereiches des Ziels 2. Das erneut ausgestrahlte Signal 9 wird von Sensorantennen 16 auf der Nase des Fahrzeugs 18 in geometrischer Quadrierung bzw. geometrischer 9O-Grad-Verschiebung empfangen. Diese empfangenen Signale werden dann durch ein Bandpaßfilter 64 des Empfängers 14 gemäß Fig. 2 hindurchgeführt. Das Bandpaßfilter 64 unterdrückt alle Komponenten des empfangenen Signals 9, außer der Komponente 3 i»J > und es unterdrückt insbesondere die Komponente OJ , welche auch in einem zusammengesetzten, erneut abgestrahlten Signal vorhanden ist, welches nicht nur von dem Ziel 2 kommt, sondern auch aus der Umgebung, welche das Ziel 2 umgibt. Das Ausgangssignal von dem Bandpaßfilter 64 wird dem Spektralkompressor 66 für das verbreiterte Spektrum bzw. das Breitbandspektrum zugeführt. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß dann, wenn die Bandbreite des ausgestrahlten Signals 8 plus oder minus 6 beträgt, wie es in der Fig. 3 A dargestellt ist, die Bandbreite des erneut abgestrahlten Signals 9 plus oder minus 3 (S ist, wie es in der Fig. 3 B dargestellt ist. Der Spektralkompressor 66 gemäß Fig.2

für das Breitbandspektrum oder das verbreiterte Spektrum wird dazu verwendet, das Spektrum des erneut abgestrahlten Signals 9 zu komprimieren oder zeitlich zu korrelieren, um ein Signal in Form eines schmalen Impulses zu erzeugen, welches in bezug auf die Frequenz 3 (O zentriert ist und welches einen viel höheren Spitzenenergiepegel hat als das Signal 9 mit dem verbreiterten Spektrum, Der Detektor 68 wird dann dazu verwendet, die Leitinformation oder Lenkungsinformation aus dem verarbeiteten Signal in einer Art und Weise wiederzugewinnen, die an sich bekannt ist.

- Patentansprüche -

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Claims

PatentansOrüche

(1J Anordnung zur Ermittlung eines Metallgegenstandes, dadurch ^^ gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, ein Breitbandsignal oder ein Signal mit einem verbreiterten Spektrum auf ein Metallziel abzustrahlen, welches ein nichtlineares elektrisches Ansprechverhalten zeigt, .wobei das Ziel ein harmonisches Signal in Reaktion auf das Breitband-Spektralsignal aussendet, daß weiterhin eine Einrichtung vorhanden ist, welche zum Empfang des harmonischen Signals dient, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, das harmonische Signal zu komprimieren und gleichzurichten bzw. zu demodulieren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseinrichtung im wesentlichen folgende Bestandteile aufweist:

eine Einrichtung zur Erzeugung eines Impulszuges mit einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Trägersignals, wobei das Trägersignal durch den Impulszug auf-und abmoduliert ist und wobei das Trägersignal in seiner Frequenz während der Einschaltperioden linear verändert wird, eine Einrichtung zur Verlängerung der Impulsdauer des frequenzmodulierten Trägersignals als Funktion der Trägersignalfrequenz, eine Einrichtung zur Filterung des verlängerten und modulierten Trägersignals zur Begrenzung des Signals auf eine vorgegebene Spektralbreite und eine Antenneneinrichtung zur Abstrahlung des gefilterten, -verlängerten bzw. gedehnten und modulierten Trägersignals.
3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch g ek enn ζ e ic h n e t , daß die Kompressionseinrichtung eine Einrichtung zum Komprimieren eines Breitbandspektrums bzw. verbreiterten Spektrums aufweist.

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4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung eine Antenneneinrichtung aufweist, um das ausgestrahlte harmonische Signal von dem Metallziel aufzunehmen, und weiterhin eine Einrichtung zum Ausfiltern des von der Empfangseinrichtung übertragenen Signals.
5· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausstrahlung des Breitbandsignals eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, ein sich in seiner Frequenz veränderndes Signal zu expandieren.
6. Anordnung zur Lenkung eines beweglichen Fahrzeuges auf ein Metallziel, welches eine nichtlineare elektrische Ansprechcharakteristik hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sendeeinrichtung vorgesehen ist, um ein Breitbandsignal zu erzeugen und auf das Ziel zu richten, wobei das Ziel ein harmonisches Signal abstrahlt, welches eine harmonische Komponente hat, und zwar in Reaktion auf das Breitbandsignal, und daß das Fahrzeug eine Empfangseinrichtung hat, welche dazu dient, das harmonische Signal von dem Ziel aufzunehmen und zu komprimieren, um das Ziel zu ermitteln.
7- Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung im wesentlichen folgende Bestandteile aufweist: eine Einrichtung zur Erzeugung eines Impulszuges, eine Einrichtung zum Dehnen bzw. Verbreitern des modulierten Impulszuges, wobei die Frequenz auf der Seite der höheren Frequenzen aus dem modulierten Impulszug ausgefiltert wird, und eine Einrichtung, welche dazu dient, den gefilterten und modulierten Impulszug auf das Ziel zu richten.

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8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet _y daß die Empfangseinrichtung im wesentlichen folgende Bestandteile aufweist: eine Einrichtung zur Ermittlung eines harmonischen Signals von dem metallischen Ziel und eine Einrichtung zum Ausfiltern von unerwünschten übertragenen Signalen, welche das harmonische Signal beibehält, wobei die Einrichtung zum Komprimieren des harmonischen Signals auch dazu dient, die Empfindlichkeit der Empfangseinrichtung zu erhöhen.

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