DE3808172A1 - System zum detektieren unterirdischer objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 zum Detektieren unterirdischer Objekte unter Einsatz eines künstlichen Apertureinstellver­ fahrens (synthetic aperture methode), und insbesondere auf eine Verbesserung des Auflösungsvermögens des Systems.

Die Fig. 2 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Systems zum Detektieren unterirdischer Objekte bzw. Targets unter Ein­ satz des künstlichen Apertureinstellverfahrens, wobei das System in einen Teil zur Durchführung der künstlichen Aper­ tureinstellung, die z. B. in einem Satellitenradar oder in einem luftgestützten Radar durchgeführt werden kann, und in einen Teil zur unerläßlichen geologischen Korrektur bei der Erfassung unterirdischer Objekte gegliedert ist. Tech­ niken, bei denen das zuvor erwähnte System zum Einsatz kommt, sind beispielsweise in "Electromagnetic Detection of Underground Objects", Seiten 308 bis 311, Proceedings of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, Vol. 67, Nr. 3, März 1984, beschrieben. Im Flußdia­ gramm nach Fig. 2 werden im Schritt ST 1 Profildaten der re­ flektierten Wellen gesammelt. Im nachfolgenden Schritt ST 2 werden Vorbereitungsarbeiten durchgeführt. Im Schritt ST 3 läuft ein synthetisches bzw. künstliches Apertureinstell­ verfahren (synthetic aperture processing) im Anschluß an den Schritt ST 2 ab. Sodann erfolgt im Schritt ST 4 eine geo­ logische Korrektur im Anschluß an Schritt ST 3, während nachfolgend zum Schritt ST 4 die Daten zur Ausgabe verarbei­ tet werden. Dies erfolgt im Schritt ST 5. Anhand der Fig. 3 wird gezeigt, wie in Schritt ST 1 die Pro­ fildaten der reflektierten Wellen gesammelt werden. Die Fig. 3 zeigt ein Objekt bzw. Target 1, beispielsweise ein Rohr, das Erdreich 2, in welchem das Objekt 1 eingegraben ist, einen Sender 3, eine Sendeantenne 4 zum Aussenden ei­ nes vom Sender 3 erzeugten Pulssignals als elektromagneti­ sche Welle in das zuvor erwähnte Erdreich 2, eine Empfangs­ antenne 5 zum Empfang der am Objekt 1 reflektierten Welle, die zuvor als elektromagnetische Welle von der Sendeantenne 4 abgestrahlt worden ist, und einen Empfänger 6, der mit der Empfangsantenne 5 verbunden ist, wobei die Sendeantenne 4 und die Empfangsantenne 5 fest in einem gegenseitigen, vorbestimmten Abstand y gehalten sind und sich in Schritten mit vorbestimmten Abstand in eine Richtung bewegen können, die in Fig. 3 mit X bezeichnet ist, und die senkrecht zur Verbindungsrichtung der beiden Antennen 4 und 5 liegt.

Im folgenden wird der Betrieb des Systems näher beschrie­ ben. Zuerst werden im Schritt ST 1 Profildaten der reflek­ tierten Wellen gesammelt, und zwar entlang einer Ebene, die den Boden unter rechtem Winkel zum Gelände schneidet. Hier­ zu wird bei jedem Bewegungsschritt z. B. ein monozyklischer Puls von der Sendeantenne 4 abgestrahlt, während die re­ flektierte Welle von der Empfangsantenne 5 empfangen wird. Die reflektierte Welle vom Target bzw. Objekt 1 wird in kürzester Zeit empfangen, wenn sich sowohl die Sendeantenne 4 als auch die Empfangsantenne 5 direkt oberhalb des Ob­ jekts 1 befinden, während sich die genannte Zeit verlängert, wenn sich die Antennen 4, 5 von der direkt oberhalb des Objekts 1 liegenden Position entfernen. Es werden daher für jedes Objekt 1 reflektierte Wellenprofil­ daten erhalten, die auf einer Hyperbel liegen. Die Ausbreitung des monozyklischen Pulses durch den Boden 2 wird in erheblichem Maße geschwächt, stark gestört und ist darüber hinaus von Rauscherscheinungen mit hohem Pegel be­ gleitet. Ferner tritt eine direkte Kopplung zwischen der Sendeantenne 4 und der Empfangsantenne 5 auf. Im Schritt ST 2 werden daher durch geeignete Vorverarbeitung der Daten die direkte Kopplung und die Rauscherscheinungen sowie die anderen genannten Störungen beseitigt. Im nachfolgenden Schritt ST 3 werden die so vorverarbeiteten Profildaten der reflektierten Wellen in einem Verfahren zur künstlichen Apertureinstellung verarbeitet (synthetic aperture process­ ing). Die Profildaten der reflektierten Wellen werden einer Bereichs-Migrationskorrektur unterzogen, während die jedem Objekt 1 entsprechenden hyperbolischen Daten so verarbeitet werden, daß sie um einen Scheitelbereich herum zusammenhän­ gend angeordnet sind. Auf diese Weise werden entsprechende Bilddaten vom Objekt 1 erhalten. Diese Bilddaten hängen zunächst noch von der Zeit ab. Daher wird im Schritt ST 4 eine geologische Korrektur durchge­ führt, und zwar unter Heranziehung der dielektrischen Kon­ stanten ε _S des Bodens 2. Auf diese Weise werden Bilddaten erhalten, die längenabhängig sind, so daß eine Bildausgabe der detektierten Objekte 1 auf einem Monitor oder derglei­ chen im Schritt ST 5 möglich ist. Beim zuvor beschriebenen, konventionellen System zum Detek­ tieren unterirdischer Objekte tritt jedoch der Nachteil auf, daß die durch die erhaltenen Bilddaten dargestellten Target- bzw. Objektpunkte nicht scharf dargestellt werden können, und zwar aufgrund von Rauscherscheinungen, Verzer­ rungen oder dergleichen, die nur unvollständig im Vorverar­ beitungsschritt eliminiert werden können, so daß keine hin­ reichend gute Auflösung erhalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, den oben beschriebenen Nach­ teil zu beseitigen und ein System zum Detektieren unterir­ discher Objekte zu schaffen, das eine verbesserte und genü­ gend hohe Auflösung aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu ent­ nehmen.

Das System nach der Erfindung zum Detektieren unterirdi­ scher Objekte bzw. Targets ist so ausgebildet, daß zur Er­ stellung bzw. Ausgabe eines detektierten Objektbildes erste Bilddaten mit zweiten Bilddaten kombiniert werden, wobei die ersten Bilddaten durch Tiefenbereichs-Migrationskorrek­ tur veränderte Profildaten reflektierter Wellen und die zweiten Bilddaten durch Flachbereichs-Migrationskorrektur veränderte Profildaten derselben reflektierten Wellen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Systems zum Detektieren unterirdischer Objekte,

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise eines konventionellen Systems zum Detektieren un­ terirdischer Objekte, und

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung der Art und Weise, wie Profildaten von reflektierten Wellen gesammelt werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen erläutert.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Diagramm 11 zeigt reflektierte Wellenprofildaten auf einer Ebene, die den Boden unter rechten Winkeln zur Oberfläche schneidet. Die Profildaten werden einer Bereichs-Migrationskorrektur (Bereichs-Wande­ rungs- bzw. Verschiebungskorrektur) unterworfen. Das Dia­ gramm 11 zeigt eine ideale Wellenform der reflektierten Welle direkt oberhalb des Objekts 1, während die gebro­ chenen Linien den Ort von Nullstellen der reflektierten Welle an den jeweiligen Meßpunkten angeben. Die gebrochenen Linien verbinden jeweils die Nullstellen miteinander.

Diagramm 12 in Fig. 1 zeigt eine Tiefenbereichs-Migrations­ korrektur (deep range-migration correction), während Dia­ gramm 13 in Fig. 1 eine Flachbereichs-Migrationskorrektur zeigt (shallow range-migration correction). In den Diagram­ men 12 und 13 werden durch die sehr kleinen Quadrate dieje­ nigen Daten angegeben, die bei der Bereichs-Migrationskor­ rektur verarbeitet werden.

Diagramm 14 in Fig. 1 zeigt die als Ergebnis der Tiefenbe­ reichs-Migrationskorrektur gemäß Diagramm 12 erhaltenen Bilddaten, während Diagramm 15 die als Ergebnis der zuvor erwähnten Flachbereichs-Migrationskorrektur gemäß Diagramm 13 erhaltenen Bilddaten zeigt. Im Diagramm 16 in Fig. 1 sind die resultierenden Bilddaten dargestellt, die sich durch Kombination der in den Diagrammen 14 und 15 gezeigten Bilddaten ergeben, also als Produkt dieser Bilddaten.

Die Betriebsweise des Systems nach der Erfindung wird nach­ folgend im einzelnen erläutert. Die reflektierten Wellen­ profildaten bzw. Profildaten der reflektierten Wellen wer­ den in der gleichen Weise wie beim konventionellen System gesammelt und einer Vorverarbeitung unterzogen. Auf diese Weise werden die Kopplung zwischen der Sendeantenne 4 und der Empfangsantenne 5, Rauscherscheinungen, Verzerrungen, usw. unterdrückt. Im Diagramm 11 in Fig. 1 ist eine ideale reflektierte Welle dargestellt. Tatsächlich enthält die re­ flektierte Welle aber noch viele andere Schwingungsmoden und ist ferner von Rauschsignalen überlagert.

Die reflektierten Wellenprofildaten werden gemäß Diagramm 12 einer Tiefenbereichs-Migrationskorrektur unterworfen, wobei die auf einer Hyperbel liegenden Daten, die einem Ob­ jekt 1 zugeordnet ist, zusammenhängend um den Scheitelpunkt der Hyperbel herum zu liegen kommen. Die Anzahl der bei der Tiefenbereichs-Migrationskorrektur zu verarbeitenden Be­ reichsfächer entspricht praktisch der Länge der künstlichen Öffnung, also der Länge der synthetischen bzw. künstlichen Öffnung oder Apertur, die zur Zusammenstellung der Daten ausreicht, oder der maximalen Anzahl der Bereichsfächer, die für die Bereichs-Migrationskorrektur herangezogen wer­ den kann. Im Diagramm 12 wird die maximal verfügbare Anzahl der Bereichsfächer zur Bereichs-Migrationskorrektur (RMC) herangezogen. Dieselben reflektierten Wellenprofildaten werden auch einer Flachbereichs-Migrationskorrektur gemäß Diagramm 13 unterworfen, wobei in ähnlicher Weise wie oben die auf einer Hyperbel liegenden Daten, die einem Objekt zugeordnet ist, zusammenhängend um den Scheitelpunkt der Hyperbel herum zu liegen kommen. Die bei der Flachbereichs- Migrationskorrektur verwendete Anzahl von Bereichsfächern (range bins) entspricht praktisch der Pulsbreite oder der­ jenigen der positiven oder negativen Halbwelle. Im Diagramm 13 wird eine der Pulsbreite entsprechende Anzahl von Be­ reichsfächern (range bins) verarbeitet. Diesen Bereichsfä­ chern sind jeweils Datensätze bzw. Meßwerte zugeordnet, die jeweils bei der Bewegung des Sende-Empfangssystems erhalten werden, und zwar mit jeder inkrementalen Verschiebung. Je­ der Datensatz für ein Bereichsfach liegt auf der Hyperbel. Die Flachbereichs-Migrationskorrektur kann auch als Ober­ flächenbereichs-Migrationskorrektur bezeichnet werden.

Da bei der Tiefenbereichs-Migrationskorrektur die größte bzw. maximale Anzahl der verwendbaren Bereichsfächer bzw. Datensätze herangezogen wird, wird durch die erhaltenen Bilddaten der Targetpunkt, wie Diagramm 14 in Fig. 1 zeigt, mit großer Höhe und Schärfe in der Projektionsansicht dar­ gestellt, wobei die X-förmige Basis eine geringe Breite in Seitenrichtung aufweist. Bei der Flachbereichs-Migrations­ korrektur wird nur eine geringe Anzahl von Bereichsfächern bzw. Datensätzen herangezogen, die der Pulsbreite ent­ spricht, so daß der durch die Bilddaten erhaltene Target­ punkt, wie Diagramm 15 in Fig. 1 zeigt, nur eine geringe Höhe aufweist, dafür aber eine größere Breite der X-förmi­ gen Basis in Seitenrichtung. Seine Breite in Bereichs- bzw. Abstandsrichtung ist kleiner als die entsprechende Breite des durch die Bilddaten erhaltenen Targetpunkts gemäß Dia­ gramm 14 in Fig. 1.

In den Diagrammen 14 und 15 nach Fig. 1 werden aufgrund der Bilddaten neben den dargestellten Target- bzw. Objektpunk­ ten noch viele andere Punkte erzeugt, und zwar aufgrund von Verzerrungen bzw. Vibrationsmoden in den reflektierten Wel­ len, sowie aufgrund von Rauschsignalen. Diese anderen Punk­ te sind der Übersicht wegen nicht mit eingezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Positionen der Zentren der in den Diagrammen 14 und 15 dargestellten Objektpunkte jeweils übereinstimmen, was jedoch nicht für die anderen Punkte gilt, die aufgrund der zuvor erwähnten Verzerrungen und Rauschsignale erzeugt werden.

Die in Diagramm 14 dargestellten und aufgrund der Tiefenbe­ reichs-Migrationskorrektur erhaltenen Bilddaten werden mit den in Diagramm 15 dargestellten und aufgrund der Flachbe­ reichs-Migrationskorrektur erhaltenen Bilddaten derart kom­ biniert, daß aus beiden das Produkt gebildet wird. Hohe Pe­ gel von Bilddaten in den Diagrammen 14 und 15 werden daher noch weiter in der Intensität verstärkt, führen also zu noch höheren Pegeln, während Daten mit niedrigen Pegeln durch die erwähnte Produktbildung geschwächt werden, so daß letztlich der Zentrumsbereich des Objektpunkts weiter her­ vorgehoben wird. Ist einer der beiden miteinander zu multi­ plizierenden Datenpegel in den Diagrammen 14 und 15 Null, so wird auch ein resultierender Bildpegel mit dem Wert Null erhalten, obwohl der andere Pegel einen großen Wert aufwei­ sen kann. Wie oben beschrieben, weist ein Targetpunkt im Bilddatendiagramm 14 eine schmalere Breite in Seitenrich­ tung auf als ein entsprechender Targetpunkt im Bilddaten­ diagramm 15, während ein Targetpunkt im Bilddatendiagramm 15 eine geringere Breite in Bereichs- bzw. Abstandsrichtung als ein Targetpunkt im Bilddatendiagramm 14 aufweist. Die X- förmig gespreizten Beine der jeweiligen Targetpunkte in den Diagrammen 14 und 15 löschen sich daher gegenseitig aus. Dagegen verstärken sich die Zentralbereiche der Objektpunk­ te. Dadurch werden sehr scharfe Target- bzw. Objektpunkte im Diagramm 16 nach Fig. 1 durch die genannte Kombination der jeweiligen Bilddaten erhalten, wobei diese Targetpunkte tatsächlich keine X-förmig gespreizten Beine mehr aufwei­ sen.

Die so erhaltenen Bilddaten werden einer geologischen Kor­ rektur unterzogen, wobei die Zeitskala bzw. Zeitabhängig­ keit in eine Längenskala bzw. Längenabhängigkeit umgewan­ delt wird. Anschließend erfolgt eine Ausgabeverarbeitung der jeweiligen Bilddaten zur Darstellung der detektierten Objekte auf z. B. einem Monitor.

Im Vorangegangenen wurde beschrieben, daß die geologische Korrektur nach der künstlichen bzw. synthetischen Apertur­ einstellung durchgeführt wird. Die reflektierten Wellenpro­ fildaten können aber auch zuerst einer geologischen Korrek­ tur unterzogen werden, bei der die Zeitskala bzw. Zeitab­ hängigkeit in eine Längenskala bzw. Längenabhängigkeit um­ gewandelt wird. Danach wird dann die synthetische bzw. künstliche Apertureinstellung vorgenommen, so daß letztlich der bereits oben beschriebene Effekt erzielt wird.

Entsprechend der Erfindung werden die reflektierten Wellen­ profildaten bzw. Profildaten der reflektierten Wellen so­ wohl einer Tiefenbereichs-Migrationskorrektur als auch ei­ ner Flachbereichs-Migrationskorrektur unterworfen, wobei die so erhaltenen Bilddaten miteinander kombiniert werden, um eine Datenausgabe für ein detektiertes Bild zu erzeugen. Der sich durch die kombinierten Bilddaten ergebende Bild­ punkt weist eine große Schärfe auf und führt somit zu einem verbesserten und hinreichend guten Auflösungsvermögen.

Claims (2)

1. System zum Detektieren unterirdischer Objekte, mit ei­ ner Sendeantenne (4) und einer Empfangsantenne (5), die in gegenseitigem, vorbestimmten Abstand (Y) zueinander ange­ ordnet und beide in Schritten mit vorbestimmter Länge auf dem Boden entlang einer im wesentlichen rechtwinklig zur Verbindungsrichtung der Antennen (4, 5) verlaufenden Rich­ tung bewegbar sind, wobei die Sendeantenne (4) bei jedem Bewegungsschritt ein Pulssignal in das Erdreich sendet und die Empfangsantenne (5) eine reflektierte Welle empfängt, um Profildaten der reflektierten Welle in einer Ebene zu erhalten, die durch das Erdreich unter rechten Winkeln zum Boden verläuft, und wobei die Profildaten zur künstlichen Apertureinstellung herangezogen werden, um ein Ausgangsde­ tektorbild des unter dem Boden befindlichen Objekts (1) zu erstellen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei der künstlichen Apertureinstellung eine Bereichs-Mi­ grationskorrektur vornehmbar ist, die sowohl eine Tiefen­ bereichs-Migrationskorrektur mit einer der künstlichen Apertur entsprechenden Anzahl von in Bereichfächern ge­ speicherten Datensätzen als auch eine Flachbereichs-Mi­ grationskorrektur mit einer der Pulsbreite des Pulssi­ gnals entsprechenden Anzahl von in Bereichfächern gespei­ cherten Datensätzen umfaßt, und
• - die bei den jeweiligen Bereichs-Migrationskorrekturen er­ haltenen Bilddaten zur Erstellung des Ausgangsdetektor­ bildes des Objekts (1) miteinander kombinierbar sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine geologische Korrektur vor der künstlichen Aperturein­ stellung ausführbar ist, um die zeitabhängigen Profildaten der reflektierten Welle in ortsabhängige Profildaten umzu­ wandeln.