DE3246084A1

DE3246084A1 - Microwave echo procedure

Info

Publication number: DE3246084A1
Application number: DE19823246084
Authority: DE
Inventors: Erik Dr.-techn. 8000 München Langer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-12-13
Filing date: 1982-12-13
Publication date: 1984-06-14

Abstract

To image an object in the near field, a microwave beam is focused onto a point (4) in the target space. This point (4) is moved in a plane (5) in the target space. An image of the target is generated by evaluating the reflected echo signals in a scanner process. The invention is suitable for space surveillance.

Description

Mikrowellen-Echoverfahren.Microwave echo method.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Echoverfahren zur Abbildung von Objekten.The present invention relates to a microwave echo method for Illustration of objects.

uebliche Radarsysteme können groBe Ziele, z.B. Flugzeuge, Schiffe usw. erkennen, ihren augenblicklichen Standort und ggf., z.B. beim Doppler-Radar, ihre Geschwindigkeit feststellen. Eine figurale Abbildung des Zielraumes ist nur bei sehr großen Strukturen, z.B. bei Bergen, Hafenbecken usw. möglich. Als Antennen werden dabei Parabolspiegel oder Parabolspiegelsegmente verwendet, deren Bündelung für das Auflösungsvermögen des Radargerätes mit maßgeblich ist. Die Bündelquerschnitte sind grundsätzlich stets größer als die Antennenapertur. Dadurch ist das Auflösungsvermögen auf ein Mehrfaches der Antennenapertur, also auf zumindest einige Quadratmeter, beschränkt.Conventional radar systems can target large targets, e.g. airplanes, ships etc. recognize their current location and, if necessary, e.g. with Doppler radar, determine their speed. A figural representation of the target area is only possible for very large structures, e.g. mountains, docks, etc. As antennas parabolic mirrors or parabolic mirror segments are used, their bundling is decisive for the resolving power of the radar device. The bundle cross-sections are always larger than the antenna aperture. This is the resolving power to a multiple of the antenna aperture, i.e. to at least a few square meters, limited.

Eine bezüglich der Zeitauflösung verbesserte Ausführungsform, die damit für eine bessere Entfernungsauflösung geeignet ist, verwendet Pulskompressionsverfahren mit Frequenzmodulation des Trägers und dispersive Verzögerungsleitungen im Sende- und Empfangskanal (Chirp-Radar).An embodiment improved in terms of time resolution which so that is suitable for better distance resolution, uses pulse compression method with frequency modulation of the carrier and dispersive delay lines in the transmit and receiving channel (chirp radar).

außerdem sind Antikollisions-Radar-Systemverschläge für Automobile bekannt, bei denen Frequenzmodulation und Auswertung der zweiten Harmonischen des Echosignals zur Anwendung kommen.there are also anti-collision radar system sheds for automobiles known in which frequency modulation and evaluation of the second harmonic of the Echo signal come into use.

Ferner sind zum Objektschutz und Einbruchs alarm Doppler-Radarsysteme bekannt, bei denen die Sendefrequenz gleichzeitig als Oszillatorfrequenz für den Empfangsmischer verwendet wird.Doppler radar systems are also used for property protection and intrusion alarms known, in which the transmission frequency is used as the oscillator frequency for the Receiving mixer is used.

Zur Personenkontrolle (Waffensuche u.a.) auf Flughäfen und in ähnlichen Sicherheitsbereichen werden gegenwärtig Geräte eingesetzt, die Metallgegenstände in der Kleidung der untersuchten Personen zwar anzeigen, aber keine Auskunft über die Art des Gegenstandes, z.B. Pistole oder Schlüsselbund geben. Außerdem werden nichtmetallische Gegenstände, z.B. Sprengstoffe nicht erfaßt. Eine röntgenographische Kontrolle ist zwar für Gepäckstücke, aus biologischen Gründen aber nicht für eine Personenkontrolle zulässig.For personal control (weapon search, etc.) at airports and in the like Devices that are metal objects are currently used in security areas in the clothes of the persons examined, but no information about the type of object, e.g. a pistol or a bunch of keys. Also be Non-metallic objects, e.g. explosives, not included. A radiographic Control is for pieces of luggage, but for biological reasons it is not for one Personal control permitted.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht in einer auch für eine Personenkontrolle zulässigen Abbildung eines Objektes, die ähnlich einer Röntgenaufnahme die Veriilung des Absorptionskoeffizienten für die jeweiligen Mikrowellen im Objekt darstellt.The object on which the present invention is based exists in an image of an object that is also permissible for a person check, the similar to an X-ray, the distribution of the absorption coefficient for the represents the respective microwaves in the object.

Diese Aufgabe wird gemaß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Mikrowellenstrahl von hoher Auflösungsfähigkeit eingesetzt und daß dieser Mikrowellenstrahl in den Zielraum fokussiert wird.This object is achieved according to the invention in that a microwave beam of high resolution used and that this microwave beam in the Target area is focused.

Radargeräte üblicher Bauart arbeiten mit Parallelstrahlen.Radar devices of the usual type work with parallel beams.

Daher ist das Auflösungsvermögen dieser Anlagen relativ gering, selbst im Nahbereich können Gegenstände nur einwandfrei unterschieden werden, die erheblich größer sind als die jeweilige Antennenfläche. Bei der erfindungsgemäßen Fokussierung sind dagegen erheblich kleinere Gegenstände einwandfrei voneinander zu unterscheiden, beispielsweise können Waffen in der Kleidung einer kontrollierten Person einwandfrei erkannt werden. Hierzu ist eine Auflösung von beispielsweise 3x3cm2 im Zielraum gefordert und erreichbar. Hierzu wird vorteilhaft eine Frequenz von zumindest 10GHz eingesetzt, um einen ausreichend kleinen Querschnitt zu erreichen.Therefore, the resolving power of these systems is relatively low, even at close range, objects can only be clearly distinguished if they are significant are larger than the respective antenna area. When focusing according to the invention on the other hand, significantly smaller objects can be clearly distinguished from one another, For example, weapons can work perfectly in the clothing of a controlled person be recognized. For this purpose, there is a resolution of, for example, 3x3cm2 in the target area demanded and achievable. A frequency of at least 10 GHz is advantageous for this purpose used to achieve a sufficiently small cross-section.

Ein vollständiges Bild des Objektes wird dadurch erreicht, daß der Mikrowellenstrahl den Zielraum rasterförmig abtastet, daß die vom Ziel reflektierten Echosignale ausgewertet werden und daß auf einem Sichtgerät daraus eine Abbildung des Zielraumes aufgebaut wird. Dabei wird der Mikrowellenstrahl vorteilhaft auf eine Ebene im Zielbereich fokussiert. Eine besonders rationelle und einfach aufgebaute Auswertung dieser Signale ist in einem Verfahren gegeben, bei dem das Mikrowellen-Sendesignal frequenzmoduliert wird und das zeitverschobene Echosignal mit dem Sendesignal bzw. mit einem frequenzgleichen Hilfsoszillator gemischt wird, bei dem das Echosignal als Zwischenfrequenz weiterverarbeitet wird und bei dem daraus ein von der Stärke des Echos abhängiges Videosignal zur punktweisen Abbildung des Zielraumes abgeleitet wird. Bei dieser Nodulationsmethode und dieser Empfangstechnik werden die extrem kurzen Echolaufzeiten von beispielsweise ungefähr 20ns bei einer Zielentfernung von ungefähr 3m mit relativ einfachen Mitteln ausgewertet.A complete picture of the object is achieved in that the Microwave beam scans the target area in a grid pattern that reflected from the target Echo signals are evaluated and that on a display device therefrom an image of the target area is built. The microwave beam is advantageously on focused one level in the target area. A particularly rational and simply structured Evaluation of these signals is given in a method in which the microwave transmission signal is frequency modulated and the time-shifted echo signal with the transmitted signal or is mixed with an auxiliary oscillator of the same frequency, in which the echo signal is further processed as an intermediate frequency and in which one of the strengths the echo-dependent video signal for point-by-point mapping of the target area will. With this nodulation method and this reception technique, they become extreme short echo propagation times of, for example, about 20ns at a target distance from about 3m evaluated with relatively simple means.

Durch die Laufzeit des Sgnff vomSlser zumOj zum Objekt und wieder zurück ist die Augenblicksfrecuenz des Echosignals bei der Frequenzmodulation meist ungleich der Sendefrequenz. Der Frequenzunterschied ist jedoch zeitweise konstant, so daß dieser als Zwischenfrequenz im Empfänger verwendet werden kann. Dies ist in einer Ausführungsform mit dreieckförmiger Modulationsspannung besonders ausgeprägt.Through the runtime of the Sgnff from theSlser zumOj to the object and again back is the instantaneous frequency of the echo signal with frequency modulation mostly unequal to the transmission frequency. However, the frequency difference is temporarily constant, so that it can be used as an intermediate frequency in the receiver. This is particularly pronounced in one embodiment with a triangular modulation voltage.

Auch eine sinusförmige Modulationsspannungs ist geeignet.A sinusoidal modulation voltage is also suitable.

Vorteilhaft verwendet man die Senderfrequenz auch als Oszillatorfrequenz für den Empfangsmischer. Durch dieses Frequenzmodulationsverfahren kann der Sender im "Dauerstrich" arbeiten, er muß im Gegensatz zu anderen Radarverfahren keine pulsförmige Modulation anwenden, es treten also keinerlei Tastprobleme auf. Bei pulsförmiger Modulation des Mikrowellenträgers würde bei den kurzen Entfernungen, die hier in Frage kommen, eine Pulsdauer von weniger als lOns notwendig machen. Derart kurze Pulse erfordern Modulationsbandbreiten von vielen 100MHz, was bei einigen Mikrowellen-Generatoren gar nicht möglich ist und im übrigen aufwendige Modulationsschaltungen erfordert.The transmitter frequency is also advantageously used as the oscillator frequency for the receiving mixer. The transmitter can use this frequency modulation method work in "continuous wave", unlike other radar methods, it does not have to be pulsed Use modulation, so there will be no tactile problems whatsoever. With pulse-shaped Modulation of the microwave carrier would be necessary for the short distances shown here in Come to the question of making a pulse duration of less than lOns necessary. Such short Pulses require modulation bandwidths of many 100MHz, what at some microwave generators are not even possible and otherwise expensive Requires modulation circuits.

Bei der Erfindung kann dementgegen als Modulationsspannung für die Frequenzmodulation ein relativ niederfrequentes Signal verwendet werden, es ergeben sich dadurch besonders geringe Anforderungen an die Modulationsschaltungen und die Auswerteelektronik im Empfänger.In the invention, on the other hand, as a modulation voltage for the Frequency modulation uses a relatively low frequency signal to yield it This results in particularly low demands on the modulation circuits and the Evaluation electronics in the receiver.

Die Modulationsfrequenz wird erfindungsgemäß mit der Abtastbewegung der Antenne synchronisiert. Die Abtastung des Zielraumes erfolgt vorteilhaft mäanderförmig, die Schwenkbewegung der Antenne wird dabei über den Zielbereich hinausgeführt, im außerhalb des Zielbereichs liegenden Winkelbereich allmählich abgebremst, um eine Zeile verschoben und in der Gegenrichtung allmählich wieder auf die zur Abtastung erforderlich konstante Winkelgeschwindigkeit hochbeschleunigt.According to the invention, the modulation frequency increases with the scanning movement synchronized with the antenna. The target area is advantageously scanned in a meandering manner, the pivoting movement of the antenna is carried out beyond the target area, in the angle range lying outside the target range gradually decelerated to one Line shifted and in the opposite direction gradually returned to the scanning required constant angular velocity highly accelerated.

Die Modulationsfrequenz wird vorteilhaft mit der Abtastbewegung der Antenne synchronisiert und der Empfänger derart bildpunktweise aufgetastet und gesperrt, daß sich eine eindeutige Zuordnung der Echosignale zu isolierten Bildpunkten trotz einer kontinuierlichen Schwenkbewegung der Antenne ergibt. Dadurch wird eine besonders einfache Steuerschaltung ermöglicht. Zur Auswertung der erhaltenen Signale werden vorteilhaft die vom Empfänger gelieferten Video signale A/D-gewandelt und bildsequentiell einem RAM eingespeichert, woraus sie mit geeigneter Geschwindigkeit ausgelesen, D/A-gewandelt und zum Aufbau eines Schirmbildes herangezogen werden. Zur Wiedergabe einer Abtastzeile des Zielraumes ("Radar-Zeile") werden dabei vorteilhaft mehrere Bildschirmzeilen verwendet, so daß trotz einer relativ geringen Zahl von "Radar-Zeilen" ein flächenhafter, flimmerfreier Bildeindruck entsteht.The modulation frequency is advantageous with the scanning movement of the The antenna is synchronized and the receiver is keyed and blocked in such a way that it is pixel by pixel, that there is a clear assignment of the echo signals to isolated pixels despite a continuous pivoting movement of the antenna results. This makes one special simple control circuit allows. To evaluate the signals received are Advantageously, the video signals supplied by the receiver are A / D-converted and image sequential stored in a RAM, from which they are read out at a suitable speed, D / A converted and used to build up a screen image. For playback a scan line of the target area ("radar line") is advantageously several Screen lines are used, so that despite a relatively small number of "radar lines" a flat, flicker-free image impression is created.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft in einem Nahbereichs-Mikrowellen-Abbildungssystem durchgeführt, welches zur Fokussierung eine E1psoid-Antenne enthält, in deren einem, antennennahen Brennpunkt sich eine Strahlungsquelle befindet, wobei der zweite Brennpunkt der Elipsoid-Antenne im Zielraum liegt. Dabei wird vorteilhaft die Ellipsoid-Antenne mit Hilfe eines konvexen Reflektors ausgeleuchtet, dessen Oberfläche vorzugsweise Paraboloidform aufweist, wobei der Brennpunkt des Paraboloids mit dem antennennahen Brennpunkt der Ellipsoid-Antenne zusammenfällt und wobei die Hochfrequenz über einen Speisehohlleiter zugeführt wird. Vorteilhaft wird dabei nur eine Antennenanordnung für Senden und Empfangen eingesetzt, wobei diese Antennenanordnung zur Abtastung des Zielraumes um ihren antennennahen Brennpunkt drehbar ist und wobei der Speisehohlleiter feststeht. Dadurch kann die Hohlleiterkonstruktion einfach ausgeführt werden, da der Hohlleiter mit dem konvexen Reflektor nicht in Berünrung zu stehen braucht und da der konvexe Reflektor ohne weiteres so gestaltet werden kann, daß er bei den in Frage kommenden Stellungen der Antenne stets die Antenne voll ausleuchtet.The method according to the invention is advantageous in a short-range microwave imaging system carried out, which contains an E1psoid antenna for focusing, in one of which, A radiation source is located near the focal point near the antenna, the second focal point the ellipsoid antenna is in the target area. The ellipsoid antenna is advantageous here illuminated with the help of a convex reflector, the surface of which is preferably Has paraboloid shape, the focal point of the paraboloid with the antenna near The focal point of the ellipsoid antenna coincides and with the high frequency over a Feed waveguide is fed. Only one antenna arrangement is advantageous here used for sending and receiving, this antenna arrangement for scanning of the target area can be rotated about its focal point near the antenna and the feed waveguide is certain. As a result, the waveguide construction can be carried out simply because the waveguide does not need to be in contact with the convex reflector and since the convex reflector can easily be designed so that it is at the possible positions of the antenna always fully illuminate the antenna.

Die Erfindung wird nun anhand einer Figur näher erläutert. Sie ist nicht auf das in der Figur gezeigte Beispiel beschränkt.The invention will now be explained in more detail with reference to a figure. she is not limited to the example shown in the figure.

ueber einen Speisehohlleiter 1 wird Mikrowellenstrahlung auf einen konvexen Paraboloidreflektor 2 abgestrahlt, dessen virtueller Brennpunkt 6 mit dem antennennahen Brennpunkt einer Ellipsoidantenne 3 zusammenfällt. Die Ellipsoidantenne 3 fokussiert die Strahlung auf einen Punkt 4 einer Ebene 5 im Zielraum. Durch die Lage des Endes des Speisehohlleiters 1 zum konvexen Paraboloidreflektor 2 wird die Entfernung des Fokuspunktes Lc.von der ellipsoidförmigen Antenne 3 bestimmt. Der Austritt von nichtgebündelten Mikrowellenstrahlungen wird durch Absorptionsmaterial 7 verhindert.About a feed waveguide 1 is microwave radiation on a radiated convex parabolic reflector 2, whose virtual focal point 6 with the near the antenna focal point of an ellipsoidal antenna 3 coincides. The ellipsoid antenna 3 focuses the radiation on a point 4 on a level 5 in the target area. Through the The position of the end of the feed waveguide 1 to the convex paraboloid reflector 2 is the Distance of the focal point Lc. from the ellipsoidal antenna 3 is determined. Of the Non-bundled microwave radiation emerges through absorption material 7th prevented.

Die Ellipsoid-Antenne 3 ist in senkrechter und in waage rechter Richtung um den Brennpunkt 6 schwenkbar. Dadurch wird eine zeilenweise Abtastung der Ebene 5 im Zielraum ermöglicht.The ellipsoid antenna 3 is in the vertical and in the horizontal right direction pivotable about the focal point 6. This results in a line-by-line scan of the plane 5 in the target area.

11 Patentansprüche 1 Figur Leerseite11 claims 1 figure Blank page

Claims

Patent claims microwave echo method for imaging objects, it is noted that a microwave beam of high resolution used and that this microwave beam is focused in the target space.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h marked e i c h n e t, that the microwave beam scans the target area in a grid pattern, that the reflected from the target Echo signals are evaluated and that on a display device therefrom an image of the target area is built.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, d a -d u r c h g e does not indicate that the microwave beam is focused on a plane in the target space will.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, d a -d u r c h g e it is not indicated that the microwave transmission signal is frequency modulated and the time-shifted echo signal with the transmission signal or one of the same frequency Auxiliary oscillator is mixed that the mixed product with the difference frequency Transmission signal and echo signal is processed further as an intermediate frequency and that from this a video signal dependent on the strength of the echo for the point-by-point imaging of the Target area is derived.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, d a -d u r c h g e no indication that the target area is scanned in a meandering manner, that the pivoting movement of the antenna is guided beyond the target area, that the pivoting movement is gradually braked in this angular range that the Focusing point (4) is shifted by one line and that the pivoting movement the antenna in the opposite direction gradually returns to that required for scanning constant angular velocity is highly accelerated.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized g e k e n n It is clear that the modulation frequency increases with the scanning movement of the antenna synchronized and the receiver is keyed and blocked in such a way pixel-by-pixel that there is a clear assignment of the echo signals to isolated pixels despite the continuous pivoting movement of the antenna.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized g e k e n n notices that the video signals supplied by the receiver are A / D-converted and image sequentially are stored in a RAM, from which they are stored at a suitable speed can be read out, D / A converted and used to build up a screen image.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized g e k e n n z e i c h n e t that for the reproduction of a scan line of the target area ("radar line") multiple lines of the screen can be used.

9. Short-range microwave imaging system for performing a Method according to one of Claims 1 to 8, d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that it contains an ellipsoid antenna for focusing, in one of which, near the antenna Focal point is a radiation source and that the second focal point is the Ellipsoid antenna is in the target area.

10. Imaging system according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n z It is true that it contains a feed tube which conducts the microwave radiation radiates onto a convex reflector that this is convex reflector illuminates the ellipsoid antenna with the radiation coming from the waveguide, whereby the surface of the convex reflector preferably has a paraboloid shape and that the focal point of the convex edge with the focal point of the ellipsoid antenna close to the antenna coincides.

11. Abbi2hngssystem according to any one of claims 9 or 10, d a d u r c h e k e n n n n n n e t, that there is only one antenna arrangement for transmission and receiving and that this antenna arrangement for scanning the target space is rotatable about its focal point near the antenna and that the feed waveguide is fixed.